Автор: Кузьмич В.Д.
Теги: тяга поездов на железных дорогах подвижной состав тепловозы железнодорожный транспорт
ISBN: 5-277-00920-5
Год: 1991
Текст
Тепловозы
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И КОНСТРУКЦИЯ
Под редакцией
доктора техн, наук В. Д. КУЗЬМИЧА
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ.
ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Утверждено
Главным управлением кадров
и учебных заведений МПС
в качестве учебника для учащихся
техникумов железнодорожного
транспорте
МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1991
УДК 629.424.1 (075.32)
Тепловозы: Основы теории и конструкция: Учеб, для
техникумов/В. Д. Кузьмич, И. П. Бородулин, Э. А. Пахомов и др.;
Под ред. В. Д. Кузьмича.—2-е изд., перераб. и доп.—М.:
Транспорт, 1991.—352 с.
Приведены основы гидравлики, технической термодинамики
и теории теплопередачи. Описана работа основных узлов
тепловоза. Отражены особенности конструкций новых отечест-
венных тепловозов.
1-е изд. вышло в 1982 г.
Для учащихся техникумов железнодорожного транспорта,
может быть полезен работникам железнодорожного транспорта,
связанным с ремонтом, эксплуатацией и обслуживанием тепло-
возов.
Рис. 281, табл. 13, библ. 17 назв.
Рецензент Б. С. Шванштейн
Заведующий редакцией В. К. Тихонычева
3202030000-128
Т -----------------
049(01)-91
ISBN 5-277-00920-5
КБ-11-91-1991
8 Издательство «Транспорт», 1982
Коллектив авторов, 1991,
с изменениями н дополнениями
ОТ АВТОРОВ
Первое издание учебника* вышло
9 лет назад и встретило положи-
тельные отзывы преподавателей, уча-
щихся и специалистов-практиков. Об
этом свидетельствует тот факт, что
тираж учебника, несмотря на его не-
бывалые размеры для специальной
литературы такого вида (35 тыс.
экз.), разошелся полностью букваль-
но за год. Это побудило авторов
подготовить второе издание учебни-
ка. Оно отличается некоторыми уточ-
нениями и дополнениями.
Авторы благодарны преподавате-
лям Даугавпилсского, Кременчугско-
го, Саратовского, Московского
им. Дзержинского техникумов Не-
федову Н. П., Семикозу Ю. В.,
Ханенко Б. И. и другим, приславшим
рецензии с предложениями по содер-
жанию переиздаваемого учебника.
К сожалению, многие предложения,
с которыми согласны и авторы,
принять не удалось, так как они были
связаны с необходимостью увеличе-
ния объема книги.
Сложность тепловоза как машины
требует рассмотрения в ограничен-
* Тепловозы. Основы теории и конструкция.
М/. Транспорт, 1982. 317 с.
ном объеме учебника широкого круга
технических вопросов. Разнообразие
конструкции различных серий оте-
чественных тепловозов, различия их
узлов, усилившиеся за последнее вре-
мя, не давали возможности привести
в учебнике более полные описания
(хотя бы краткие) даже основных
типов эксплуатируемых тепловозов,
так как это потребовало бы непомер-
но большого объема, нереального
для учебника. Поэтому в книге более
подробно рассматриваются общие
принципы работы и устройства теп-
ловозов и их узлов.
Конструкция локомотивов рас-
смотрена в основном на примере
серийных грузовых тепловозов типа
2ТЭ10 (2ТЭ10М, 2ТЭ10В, 2ТЭ10Л)
с двухтактным дизелем и электри-
ческой передачей постоянного тока.
Рассмотрены также основы конструк-
ции тепловозов 2ТЭ116 с четырех-
тактным дизелем и передачей пере-
менно-постоянного тока, которые
должны послужить принципиальной
основой для создания локомотивов
большей мощности. В ряде случаев
отражены особенности других серий
тепловозов, представляющие интерес
с точки зрения изучения конструк-
ции, тенденций ее развития.
ВВЕДЕНИЕ
Типы локомотивов. Тепловоз
является одним из возможных типов
локомотивов.
Локомотивами называются транс-
портные машины, предназначенные
для создания движущей силы (силы
тяги), под действием которой по
рельсовым путям железных дорог
могут перемещаться составы вагонов
с грузами и пассажирами.
Железные дороги как вид транс-
порта в современном понимании воз-
никли более 170 лет назад. История
железнодорожного транспорта на-
чинается с появлением первых локо-
мотивов, которые превратили обыч-
ные рельсовые пути, каких уже в кон-
це XVIII и начале XIX веков было
много в горной промышленности, в
транспортную систему — железную
дорогу.
На железных дорогах использо-
вались и используются локомотивы
различных типов: паровозы, тепло-
возы, электровозы и др. Тип локомо-
тива определяется устройством и
принципом действия его энергетиче-
ской установки — первичного двига-
теля, который преобразует внутрен-
нюю (химическую) энергию топлива
в механическую работу вращения
движущихся колес.
Первым историческим типом локо-
мотивов был паровоз. Он возник в
результате усилий многих талантли-
вых инженеров и изобретателей в
первой трети XIX века. В августе
1834 г. была закончена постройка
первого русского паровоза. Его соз-
дателями были талантливые меха-
ники Мирон Ефимович Черепанов и
его отец Ефим Алексеевич. Более
100 лет паровоз был символом же-
лезной дороги, ее единственным тя-
говым средством.
На паровозах внутренняя хими-
ческая энергия топлива (угля или
4
нефти) преобразуется в механичес-
кую посредством паросиловой уста-
новки, состоящей из парового кот-
ла — генератора энергии — и паро-
вой машины — двигателя. Такое пре-
образование энергии связано с боль-
шими потерями теплоты. В связи с
этим паровозы работают очень не-
экономично. Их коэффициент полез-
ного действия (к.п.д.) составляет
всего 5—7 %. Иными словами, толь-
ко 5—7 % энергии, содержащейся в
топливе, используется для движения
поезда, вся остальная энергия рас-
сеивается в атмосферу и теряется
безвозвратно. Поэтому паровозы во
второй половине нашего века повсе-
местно во всем мире заменены (или
заменяются) более современными ло-
комотивами: электровозами и тепло-
возами.
Тепловозами называются локомо-
тивы, у которых роль силовой уста-
новки выполняют тепловые двигате-
ли, а именно поршневые двигатели
внутреннего сгорания (д.в.с.) — ди-
зели. Преобразование химической
энергии топлива в механическую
работу в таком двигателе проис-
ходит в отличие от паросиловой
установки в ограниченном, замкну-
том объеме внутри цилиндра (внут-
реннее сгорание топлива, в отличие
от внешнего — в топке паровоза),
что значительно снижает потери и
обеспечивает более высокую эффек-
тивность локомотива.
СССР — родина тепловозострое-
ния. В рождении самой идеи теплово-
за как локомотива с более совершен-
ным, чем паровая машина, тепловым
двигателем, в развертывании научно-
исследовательских работ и постройке
первых тепловозов большую роль сы-
грала наша страна. Русские инже-
неры и ученые оценили преимущест-
ва такого локомотива над паровоза-
ми и начали работать над созданием
тепловоза еще в конце прошлого
столетия.
В 1905 г. Н. Г. Кузнецов и А. И.
Одиицов разработали проект локо-
мотива с двигателями внутреннего
сгорания и электрической переда-
чей. Проект Кузнецова и Одинцова
был оригинален во многих отноше-
ниях. Ряд решений этого проекта
(тележечный тип локомотива, элект-
рическая передача и т. д.) и сейчас
используется в тепловозостроении. В
последующие дореволюционные годы
несколько различных проектов неф-
тевозов (дизельных локомотивов)
было предложено инженерами заво-
дов и железных дорог России. В
частности, подробно был разработан
проект тепловоза в 1909 г. Коломен-
ским машиностроительным заводом,
в 1912 г. была закончена работа
над проектом нефтевоза непосредст-
венного действия на Ташкентской
железной дороге (инженеры Ю. В.
Ломоносов и А. И. Липец). Проблему
тепловозостроения активно изучали
ученые Московского высшего техни-
ческого училища (МВТУ) В. И. Гри-
невский, Б. М. Ошурков, А. Н. Ше-
лест.
Однако ни один из этих проектов
не мог быть осуществлен в условиях
царской России. Кстати, в то время
не удалось осуществить и попытку
создания тепловоза за рубежом.
Тепловоз непосредственного дей-
ствия, построенный в Германии в
1912—1914 гг., по проекту известных
фирм Зульцер и Борзиг, в разработке
которого принимал участие сам изоб-
ретатель двигателя — Р. Дизель,
оказался неработоспособным.
Только после победы Великой
Октябрьской социалистической ре-
волюции стал возможным практичес-
кий подход к созданию нового типа
локомотива.
По инициативе Владимира Ильича
Ленина, обратившего внимание на
преимущества тепловозов по сравне-
нию с паровозами, которые в нашей
стране для восстановления желез-
нодорожного транспорта в те годы
приходилось заказывать за границей,
4 января 1922 г. было принято спе-
циальное решение высшего народно-
хозяйственного органа страны — Со-
вета Труда и Обороны, которое
отмечало особую важность развития
тепловозостроения для нашей стра-
ны. Это постановление положило
начало практической работе по со-
зданию тепловозов. Строительство
первых тепловозов было решено на-
чать за границей в счет заказов
на паровозы. Эту работу проводила
советская железнодорожная миссия
под руководством проф. Ю. В. Ломо-
носова.
Одновременно по предложению
проф. Я- М. Гаккеля, работавшего
в Петроградском электротехничес-
ком институте, было начато строи-
тельство тепловоза по его проекту
силами петроградских заводов
(«Красный путиловец», Балтийский,
«Электрик»).
Постройка двух первых в мире теп-
ловозов с электрической передачей
была завершена в конце 1924 г.
Тепловоз по проекту Я- М. Гаккеля,
построенный в Ленинграде, получил
наименование Щзл1 (его мощность
примерно соответствовала мощности
четырехосного паровоза Щ). Тепло-
воз Ээл2, построенный в Германии
под руководством Ю. В. Ломоносова,
был несколько мощнее и эквивален-
тен пятиосным паровозам Э.
В 1925 г. эти тепловозы уже на-
чали работать на наших железных
дорогах. На ст. Люблино была со-
здана опытная тепловозная база
для их эксплуатации и обслужива-
ния.
С 1930 г. базой отечественного
тепловозостроения стал Коломенский
паровозостроительный завод, на ко-
тором серийно выпускались тепло-
возы серии Ээл (было построено
около 30 тепловозов).
Впервые в мире в 1931 г. в СССР
на участке Ашхабадской дороги была
введена тепловозная тяга, в Ашхаба-
де было организовано первое тепло-
возное депо. Эксплуатация опытно-
го тепловозного участка подтвердила
5
существенные преимущества тепло-
возов над паровозами, особенно в
безводных условиях.
Так начала развиваться тепловоз-
ная тяга, в настоящее время наибо-
лее распространенная на железных
дорогах мира.
Развитие тепловозостроения в
СССР. Сразу же после окончания Ве-
ликой Отечественной войны на базе
Харьковского завода транспортного
машиностроения (ХЗТМ) началась
постройка новых тепловозов серии
ТЭ1 с электрической передачей, а
с 1949 г.— двухсекционных теплово-
зов ТЭ2. В 1953 г. заводом была
разработана конструкция и построен
первый двухсекционный тепловоз
ТЭЗ мощностью 2000 л. с. в каждой
секции. С 1955 г. он стал выпускать-
ся серийно.
Тепловозная тяга особенно широко
начала внедряться на наших же-
лезных дорогах с 1955—1956 гг. Раз-
витие народного хозяйства страны и
рост грузооборота железных дорог
вызвали необходимость дальнейшего
расширения производства и повыше-
ния мощности тепловозов. В 1956 г.
было признано необходимым пре-
кратить строительство паровозов
и приступить к широкому внедре-
нию на железнодорожном тран-
спорте новых типов локомотивов:
тепловозов и электровозов. В резуль-
тате в 1956—1970 гг. на железных
дорогах страны была проведена
коренная техническая реконструкция
тяги. Для ее обеспечения на произ-
водство тепловозов были переведены
крупнейшие в стране предприятия
транспортного машиностроения:
Луганский (Ворошиловградский —
ВТЗ), Коломенский (КТЗ) и Брянс-
кий (БМЗ) заводы.
С 1957 г. три завода — ХЗТМ, ВТЗ
и КТЗ — одновременно в кооперации
с заводом «Электротяжмаш» серий-
но строили тепловозы ТЭЗ. К тепло-
возостроению были привлечены так-
же Людиновский, Калужский, Му-
ромский и другие заводы.
В настоящее время Луганский
завод — производственное объеди-
нение (ПО) «Лугансктепловоз» —
специализирован на производстве
мощных грузовых тепловозов. ПО
«Коломенский завод» выпускает
пассажирские тепловозы, Брянский
и Людиновский заводы — маневро-
вые тепловозы, Муромский— про-
мышленные.
За прошедшие годы возросла мощ-
ность выпускаемых промышлен-
ностью тепловозов. Основу локомо-
тивного парка страны сегодня со-
ставляют тепловозы мощностью
2200 кВт (3000 л. с.) в секции:
грузовые типов 2ТЭ10 и 2ТЭ116,
пассажирские типа ТЭП60.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛОВОЗАХ
1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
И УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОЗА
Принцип действия и основные
узлы тепловоза. Важнейшей частью
любого тепловоза является его пер-
вичный двигатель — дизель. Дизель
преобразует внутреннюю химическую
энергию топлива в механическую
энергию вращения коленчатого вала.
Свойства дизеля как двигателя не
в полной мере соответствуют требо-
ваниям поездной работы локомоти-
ва, его переменным режимам работы.
Мощность дизельного двигателя пря-
мо пропорциональна частоте враще-
ния его коленчатого вала (при не-
изменной подаче топлива). Для
локомотива более полезной являет-
ся работа двигателя на постоянном
режиме — обычно при максимальной
(номинальной) частоте вращения ко-
ленчатого вала, когда дизель раз-
вивает наибольшую мощность. Что-
бы обеспечить возможность работы
дизеля с постоянной частотой вра-
щения вала при любых режимах
движения поезда, энергия от вала
двигателя передается колесным па-
рам, скорость вращения которых
при движении должна меняться не
непосредственно, а через специаль-
ные промежуточные устройства, на-
зываемые передачей. Передача при-
спосабливает дизель к условиям
работы на локомотиве. На тепло-
возах применяются главным образом
электрические или гидравлические
передачи.
При электрической передаче (рис.
1.1, а) механическая энергия вра-
щения коленчатого вала дизеля 1
сообщается электрическому тяговому
генератору 2, который преобразует
ее в электрическую. Электрическая
энергия от генератора поступает в
тяговые электрические двигатели 3,
которые кинематически связаны с
движущими колесными парами 4
и приводят их во вращение.
На тепловозах с гидравлической
передачей (рис. 1.1, б) энергия
дизеля 1 затрачивается на привод
гидравлического насоса 2, сообщаю-
щего энергию жидкости, которая
циркулирует в замкнутом контуре.
Поступая в гидравлическую турби-
ну 5, поток жидкости передает на
ее лопатки свою кинетическую энер-
гию и вращает вал ротора турбины,
а вместе с ним и колесные пары 4
тепловоза.
К основным частям тепловоза, по-
мимо дизеля и передачи, можно от-
нести вспомогательное оборудование
и экипажную часть.
Экипажная часть тепловоза со-
стоит из кузова, главной рамы с
Рис. 1.1. Схемы размещения основного оборудования и преобразования энергии на тепловозах:
а — с электрической передачей; б — с гидравлической передачей
7
ударно-сцепными устройствами (ав-
тосцепками) и тележек с колесны-
ми парами и упругим рессорным
подвешиванием.
Главная рама тепловоза служит
основанием для размещения сило-
вой установки и вспомогательного
оборудования. Она передает их вес
через колеса на рельсы. Кроме того,
рама передает продольные тяговые
усилия от ведущих осей к составу.
Кузов размещается также на раме
и защищает оборудование теплово-
за от внешних воздействий. Кузова
тепловозов бывают двух типов (рис.
1.2): вагонного или закрытого (обыч-
но у магистральных тепловозов) и
капотного (у маневровых теплово-
зов). В первом случае кузов обра-
зует машинное помещение с внут-
ренними проходами для обслужи-
вания силовой установки; во вто-
ром — капот накрывает оборудова-
ние тепловоза, доступ к которому
снаружи обеспечивается через боко-
вые дверцы. Для возможности прохо-
да обслуживающего персонала на те-
пловозе с капотным кузовом устраи-
вают продольные (с обеих сторон)
и поперечные (по концам рамы)
площадки.
Колесные пары большинства со-
временных тепловозов размещены в
тележках, двух- или трехосных1,
которые могут поворачиваться отно-
сительно опирающейся на них глав-
ной рамы. Такое устройство эки-
пажной части облегчает прохожде-
ние тепловозом кривых участков пу-
ти. У некоторых промышленных теп-
ловозов малой мощности движущие
колесные пары соединяются непо-
1 Термин «ось» в транспортной технике
употребляется в двух значениях. Буквально
«ось» — это одна из деталей колесной пары,
объединяющая два колеса в одно целое и
воспринимающая вес локомотива или вагона.
Однако часто это слово используется в
более общем переносном смысле. Под «осью»
подразумевается колесная пара, единичная
точка опоры подвижного состава на рельсы.
Именно в этом смысле говорят «шестиосный
локомотив», «восьмиосный вагон», «трехос-
ная тележка», «нагрузка на ось (или от оси
иа рельсы)» и т. д.
8
средственно с главной рамой (эки-
паж в жесткой раме).
Вспомогательное оборудование
обеспечивает нормальную работу
дизеля, передачи и экипажной части,
а также тепловоза в целом. К нему
относятся топливная, водяная и
масляная системы дизеля, его уст-
ройства охлаждения и воздухо-
снабжения, а также системы охлаж-
дения и вспомогательные устройства
передачи, песочная система экипажа,
воздушная (тормозная) система теп-
ловоза, система пожаротушения
и т. п.
Топливная система обеспечивает
питание дизеля жидким топливом.
Она состоит из топливных баков,
вспомогательных подкачивающих
насосов, топливных фильтров, топ-
ливоподогревателей, основных топ-
ливных насосов и форсунок, рас-
пиливающих топливо в цилиндрах
дизеля.
Система водяного охлаждения ди-
зеля (водяная система) служит для
отвода теплоты от его цилиндров и
включает в себя циркуляционный
водяной насос и радиаторы, в ко-
торых теплота от воды передается
атмосферному воздуху. Для более
интенсивного отвода теплоты от ра-
диаторов воздух через них прого-
няется принудительно — специаль-
ным вентилятором.
Масляная система дизеля, состоя-
щая из насосов, фильтров для
очистки масла и охлаждающих уст-
ройств (радиаторов или теплообмен-
ников), служит для подачи смазки
масла к трущимся частям дизеля, а
также частично и для отвода теплоты
от них, а в некоторых случаях и
от поршней дизеля.
Воздушная система тепловоза
(тормозной компрессор, главные и
запасные резервуары сжатого возду-
ха и др.) обеспечивает работу тор-
мозных средств всего поезда, а также
ряда вспомогательных устройств теп-
ловозов.
Системы воздухоснабжения и воз-
душного охлаждения состоят из агре-
гатов, предназначенных для подачи
воздуха (воздуходувки и нагнета-
тели — для дизеля, вентиляторы —
для охлаждения электрических ма-
шин), воздухозаборных устройств
(окна, жалюзийные решетки), воз-
духоочистителей и воздуховодов.
Общее устройство современных
тепловозов рассмотрим на примере
магистральных тепловозов типа
2ТЭ10 (2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М),
наиболее распространенных серий-
ных грузовых тепловозов СССР в
настоящее время. Тепловоз имеет
электрическую передачу постоянного
тока и состоит из двух одинаковых
секций (рис. 1.3), соединенных меж-
ду собой стандартной автосцепкой
21. Каждая секция с кузовом 12 ва-
гонного типа имеет свою кабину
машиниста 2 с пультом управления 1
и в случае необходимости может
использоваться в качестве самостоя-
тельного локомотива. При совмест-
ной работе обе секции управляются
с поста управления головной секции.
Источником энергии на тепловозе
служит двухтактный дизель типа
1 ОД 100 мощностью 2200 кВт. Основ-
ная часть энергии дизеля 13 пере-
дается тяговому генератору 9, вал
якоря которого соединен при помощи
Рис. 1.2. Тепловозы с различными типами
кузова:
а—вагонного; б--капотного
полужесткой пластинчатой муфты с
коленчатым валом дизеля. Тяговый
генератор преобразует механическую
энергию вращения вала дизеля в
электрическую. Дизель с генерато-
ром, установленные на общей под-
дизельной раме 10, представляют
собой единый силовой агрегат —
дизель-генератор.
Дизель-генератор, являющийся
наиболее тяжелой частью тепловоза,
расположен на главной раме 26, в
ее средней части. Это необходимо
для равномерного распределения на-
грузок на колесные пары 23, которые
объединены в две одинаковые трех-
осные тележки 25.
Рис. 1.3. Схема размещения основных узлов на секции тепловоза 2ТЭ10
9
Рама 26 опирается на каждую
тележку 25 в четырех точках (бо-
ковых опорах). Центральный шкво-
рень, соединяющий раму с тележкой,
является осью поворота тележки от-
носительно рамы и передает только
горизонтальные усилия.
Все оси тепловозов (см. сноску к
с. 8) движущие. На оси каж-
дой колесной пары 23 подвешен тя-
говый электродвигатель 22. Тяговые
электродвигатели питаются током от
тягового генератора 9. Они преоб-
разуют электрическую энергию в
механическую и через зубчатые пере-
дачи (редукторы) приводят во вра-
щение колесные пары 23.
Для привода агрегатов вспомога-
тельного оборудования мощность от
вала дизеля отбирается через перед-
ний 6 и задний 15 редукторы. В
частности, с передним редуктором 6
связаны тормозной компрессор 4 и
двухмашинный агрегат 3, состоящий
из возбудителя, питающего обмотку
главных полюсов тягового генерато-
ра, и вспомогательного генератора,
являющегося на тепловозе источни-
ком низкого (75 В) напряжения для
цепей управления, освещения и т. п.
От заднего редуктора 15 через
гидроредуктор 19 приводится венти-
лятор охлаждающего устройства 17.
Последний просасывает воздух через
радиаторы для охлаждения воды,
состоящие из отдельных секций 18.
Сёкции (различной величины) распо-
ложены в два яруса с обеих сторон
шахты холодильника 20. Нагретый
воздух вентилятор выбрасывает
вверх через крышу тепловоза.
Между кабиной машиниста 2 и
машинным помещением по обеим сто-
ронам от центральной двери нахо-
дятся высоковольтные камеры 7,
в которых размещена большая часть
электрических аппаратов.
По обеим сторонам дизеля под
полом расположены элементы акку-
муляторной батареи, которая исполь-
зуется для пуска дизеля. Роль пус-
кового двигателя (стартера), рас-
кручивающего вал дизеля, играет
при этом тяговый генератор. На его
10
полюсах размещена дополнительная
пусковая обмотка, которая при
пуске включается последовательно
с обмоткой генератора на напряже-
ние аккумуляторной батареи. Генег
ратор, таким образом, оказывается
временно в режиме электродвигателя
последовательного возбуждения.
Когда вал дизеля достигнет необ-
ходимой частоты вращения и дизель
начнет работать, пусковая цепь раз-
мыкается. После этого тяговый гене-
ратор, приводимый дизелем, может
сам вырабатывать электрическую
энергию. При работе дизеля аккуму-
ляторная батарея заряжается от
вспомогательного генератора.
Запас топлива хранится в баке 24,
подвешенном к главной раме в сред-
ней ее части. Воздух для дизеля
засасывается из атмосферы через
воздухоочистители, расположенные в
боковых стенках кузова с обеих
сторон тепловоза, турбокомпрессора-
ми 14 и центробежным нагнетате-
лем 11, работающими последователь-
но, и через воздухоохладитель на-
гнетается в цилиндры дизеля. Про-
дукты сгорания (газы) из цилиндра
отводятся через турбины турбокомп-
рессоров 14, глушители, находящие-
ся на противоположном от генера-
тора торце дизеля, и выхлопные
патрубки на крыше кузова в ат-
мосферу.
Тяговые электрические машины, в
обмотках которых при работе вы-
деляются большие количества теп-
лоты, охлаждаются воздухом. Для
охлаждения генератора служит спе-
циальный вентилятор 8, связанный с
верхним валом дизеля. Охлаждение
тяговых электродвигателей обеспе-
чивается вентиляторами 5 и 16. Они
приводятся во вращение от вала
дизеля соответственно через перед-
ний 6 и задний 15 редукторы. Каж-
дый вентилятор подает воздух в три
двигателя одной тележки. Воздух
подводится к двигателям по каналам
в раме тепловоза и затем по гибким
брезентовым рукавам.
На привод вспомогательных агре-
гатов тепловоза затрачивается зна-
чительная мощность — 160—230 кВт
на секцию (вентиляторы охлажде-
ния тяговых электродвигателей — по
15 кВт, вентилятор тягового гене-
ратора—18 кВт, вентилятор холо-
дильника— 90—120 кВт, в зависи-
мости от режима, тормозной комп-
рессор — до 45—60 кВт).
С учетом потерь в передаче мак-
симальная полезная (так называе-
мая касательная) мощность тепло-
воза 2ТЭ10В, имеющего дизели об-
щей мощностью 4400 кВт (6000 л. с.),
составляет примерно 3400 кВт. Наи-
большая (конструкционная) ско-
рость тепловоза 100 км/ч.
Магистральные грузовые теплово-
зы с электрической передачей (ТЭЗ,
2ТЭ116) имеют в основном такое же,
как на тепловозе типа 2ТЭ10, распо-
ложение силового и вспомогатель-
ного оборудования, но имеют конст-
руктивные отличия.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОЗОВ
Тепловозы классифицируются по
ряду различных признаков. Наиболее
важным является разделение тепло-
возов по следующим признакам.
По роду службы (виду выполняе-
мой работы) они делятся на грузо-
вые, пассажирские, универсальные
(предназначенные для выполнения
различной работы, например, грузо-
пассажирские, маневре во-вывозные
и т. п.), маневровые и промышлен-
ные. Назначение тепловоза отража-
ется на его характеристиках, кон-
струкции передачи и экипажной
части.
Современные тепловозы по типу
передач делятся на тепловозы с
электрической и гидравлической пе-
редачами. Электрические передачи
могут быть постоянного, переменно-
постоянного и переменного тока.
Промышленные тепловозы малой
мощности выполняют и с механи-
ческой передачей.
По устройству ходовых частей
различаются тепловозы тележечного
типа, аналогичные рассмотренным
выше тепловозам типа 2ТЭ10, и теп-
ловозы с осями в жесткой раме
(бестележечные). Почти все совре-
менные тепловозы тележечного типа.
Тепловозы делятся также: по ши-
рине рельсовой колеи — на теплово-
зы нормальной колеи — 1520 мм в
СССР и 1435 мм во многих зару-
бежных странах — и узкоколейные
(ширина колеи от 600 до 1000—
1100 мм); по числу секций—на
одно-, двух- и многосекционные.
Односекционные тепловозы часто
имеют две кабины управления, двух-
секционные — по одной на секцию.
У многосекционных тепловозов про-
межуточные секции вообще могут не
иметь кабин машиниста, так как
управляются с головных секций.
Серии тепловозов, т. е. группы
тепловозов, построенных по одним
и тем же проектам, на железных
дорогах СССР принято обозначать
сочетанием заглавных букв русского
алфавита и цифр.
В большинстве случаев обозначе-
ние начинается с буквы Т («теп-
ловоз») ; вторая буква, как правило,
характеризует тип передачи (Э —
электрическая, Г — гидравличес-
кая); третья—обычно говорит о
назначении тепловоза (П — пасса-
жирский, М—маневровый, у гру-
зовых тепловозов третья буква в се-
рии отсутствует). Цифры обозначают
номер серии тепловоза, для поездных
тепловозов обычно указывающий
также и на завод-изготовитель. Но-
мера серий от 1 до 49 отводились ма-
гистральным тепловозам, спроекти-
рованным Харьковским заводом
транспортного машиностроения им.
В. А. Малышева. Номера от 50 до 99
присваиваются тепловозам разработ-
ки Коломенского тепловозострои-
тельного завода им. В. В. Куйбыше-
ва (ныне ПО «Коломенский завод»),
а номера выше 100 входят в серии
локомотивов Ворошиловградского
тепловозостроительного завода
им. Октябрьской революции (ныне
ПО «Лугансктепловоз»).
Таким образом, обозначение ТЭЗ
11
расшифровывается так: грузовой
тепловоз с электрической передачей
третьей серии, спроектированный
Харьковским заводом; обозначение
ТГ102—тепловоз с гидравлической
передачей, грузовой 102-й серии
Ворошиловградского завода;
ТЭП70 — тепловоз с электрической
передачей пассажирский постройки
Коломенского завода; ТГМЗ и
ТЭМ5 — тепловозы маневровые со-
ответственно с гидравлической и
электрической передачами (в сериях
маневровых и узкоколейных тепло-
возов цифра обозначает только
порядковый номер модели).
Цифра перед буквенным обозна-
чением означает число секций много-
секционного тепловоза, созданного
на базе основной серии (например,
2ТЭП60 — двухсекционный пасса-
жирский тепловоз, ЗТЭ10М — трех-
секционный грузовой). Буква после
номера серии указывает либо на мо-
дернизированный вариант (М), либо
на завод-изготовитель, если первона-
чальный проект тепловоза разрабо-
тан другим заводом. Так, тепловоз
2ТЭ10В создан Ворошиловградским
заводом на базе односекционного
тепловоза ТЭ10 Харьковского завода
(серия 2ТЭ10Л разрабатывалась ра-
нее, когда завод, как и в настоящее
время, назывался Луганским).
В обозначения серий тепловозов,
работающих в СССР, но построен-
ных за рубежом, введена буква,
указывающая на страну-изготови-
тель. Так, серии ЧМЭ2 и ЧМЭЗ озна-
чают маневровые тепловозы с элект-
рической передачей, построенные в
Чехословакии.
Одной из важных характеристик
каждого тепловоза, как и любого
локомотива, является его осевая фор-
мула. Она характеризует число, рас-
положение и назначение осей локомо-
тива. Для тепловозов тележечного
типа осевая формула представляет
сочетание цифр, число которых соот-
ветствует числу тележек, а каждая
цифра показывает число осей в те-
лежке. Например, шестиосный тепло-
воз ТЭП70 имеет осевую формулу
Зо—Зо, которая показывает, что у
тепловоза две трехосные тележки
(рис. 1.4, а). Знак «—» (тире)
означает, что тележки не соединены
между собой (несочлененные), а
индекс «0» у цифр показывает, что
каждая ось имеет индивидуальный
(отдельный) привод (тяговый элект-
родвигатель). Для двухсекционного
тепловоза 2ТЭ10В (рис. 1.4,6), у
которого секции сцеплены между
собой, осевая формула выглядит так:
Зо—Зо + Зо—Зо или 2(30—Зо).
Для тепловозов нетележечного
типа в осевой формуле последова-
тельно перечислено число осей бегун-
ковых, ведущих (сцепных) и поддер-
живающих. Например, 0—3—0 (рис.
1.4, в) — бегунковых осей нет, веду-
щих три, поддерживающих нет,
привод групповой (тепловоз ТГМ1);
2—5о—1 (рис. 1.4, г) —две бегун-
ковые оси, пять ведущих с индиви-
дуальным приводом, одна поддержи-
вающая (тепловоз Ээл довоенной
постройки).
За рубежом в осевых формулах
тепловозов число ведущих осей в
тележках обозначают не цифрой,
а буквой, подразумеваемый поряд-
ковый номер которой в латинском
алфавите соответствует числу осей
(А — одна ось, В — две, С — три,
D—четыре). Следовательно, обо-
значение Со—Со (или, просто, С—
С) будет соответствовать рассмот-
а) (tl°fa-3Do'3°'O} V Зо-Зо^Зо-Зо 2(з,-з.) 6) о-з-о
г) г-50-1
Рис. 1.4. Осевые формулы тепловозов:
а—Зо—Зо (ТЭП70); б — 2(30 —Зо) или Зо—Зо + Зо—Зо (2ТЭ10В, 2ТЭ116); в —0—3-0 (ТГМ1); г-
2—5о—1 (Э“)
12
ренной выше формуле Зо—Зо. (Во
Франции принято буквы писать слит-
но: ВВ, СС). Наличие же бегунковых
или поддерживающих осей обозна-
чается также цифрами.
В некоторых странах применяют
колесные формулы, в которых цифры
указывают на число колес, а не осей.
Написанная по этому принципу ко-
лесная формула тепловоза Ээл выгля-
дит так: 4—10—2, т. е. все цифры
удвоены по сравнению с осевой фор-
мулой.
К характеристикам локомотивов
относятся также осевая нагрузка,
служебный и сцепной вес, а также
габарит.
Осевая нагрузка (или, точнее,
нагрузка от оси на рельсы) харак-
теризует статическое воздействие ло-
комотива на железнодорожный путь.
Для магистральных локомотивов,
эксплуатирующихся на железных
дорогах СССР, наибольшие допусти-
мые нагрузки на рельсы составляют
225 кН. У новых локомотивов, уже
разработанных промышленностью,
осевые нагрузки достигают 235 кН
(электровозы ВЛ 15 и ВЛ85) и
245 кН (тепловозы 2ТЭ121 и опытный
тепловоз ТЭ136).
Служебным весом тепловоза назы-
вается его полный вес — с локомо-
тивной бригадой, полным запасом
воды и масла и двумя третями
запасов топлива и песка.
Вес, приходящийся на движущие
колесные пары и участвующий в
создании силы тяги, называется
сцепным весом. Так как почти у всех
современных тепловозов все оси яв-
ляются движущими, то для них сцеп-
ной вес равен служебному. С дру-
гой стороны, служебный вес равен
сумме нагрузок от ведущих осей на
рельсы.
Габаритом называется предельное
поперечное очертание (перпенди-
кулярное оси пути), за пределы ко-
торого не должна выступать ни одна
часть локомотива как нового, так и
предельно изношенного.
Для локомотивов СССР стандар-
том установлены габариты Т и 1Т.
Наиболее распространенный габарит
1Т имеет наибольшую предельную
ширину 3400 мм и высоту 5300 мм.
Действительные допускаемые пре-
дельные значения высоты и ширины
кузова имеют меньшие значения, так
как при их подсчете учитываются
все возможные смещения локомоти-
ва от оси пути как по горизонтали,
так и по вертикали. Тепловозы,
предназначенные для экспорта, вы-
полняются по меньшим габаритам
(например, тепловозы М62 и ТЭ109—
по габариту 02-ВМ).
Г л а в a 2. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ
2.1. ГИДРОСТАТИКА
Основные понятия. Гидравликой
называется прикладная наука, изу-
чающая законы равновесия и движе-
ния жидкостей и способы их прак-
тического использования.
Жидкостью в физике считается
тело, обладающее текучестью. Вслед-
ствие слабых связей между собой
частицы жидкости обладают высокой
степенью подвижности. Поэтому
жидкое тело в отличие от твердого
не имеет собственной формы и при-
нимает форму сосуда, в котором оно
находится.
Гидравлика состоит из двух основ-
ных разделов: гидростатики и гид-
родинамики. В гидростатике рас-
сматриваются законы равновесия
жидкостей, в гидродинамике — зако-
ны их движения.
С точки зрения гидравлики под
термином «жидкость» понимают не
только жидкие, но и газообразные
тела. В связи с этим жидкости
делят на капельные и газообразные.
В гидравлике преимущественно
рассматриваются капельно-жидкие
тела, характеризующиеся очень ма-
лой сжимаемостью. Однако при дав-
лениях, близких к атмосферному, и
газы, которые характерны большой
сжимаемостью при повышении дав-
ления, ведут себя как практически
несжимаемые жидкости и подчиня-
ются основным законам гидравлики.
Особенности движения газов при
иных давлениях и температурах,
когда заметно проявляются их от-
личия от капельных жидкостей,
изучаются в аэродинамике и газовой
динамике.
Физические свойства жидкостей.
В гидравлике используются основ-
ные свойства жидкостей, изучаемые
в курсах физики, а именно удельный
14
вес, плотность, сжимаемость, теп-
ловое расширение и вязкость, кото-
рые кратко рассмотрены ниже. Как и
все физические величины, характе-
ристики этих свойств могут измерять-
ся в различных системах единиц
измерения, из которых наиболее рас-
пространена Международная систе-
ма (СИ) как более универсальная.
Удельным (или объемным) весом
у жидкости называют вес жидкости
в единице объема, т. е. отношение
V=G/V, (2.1)
где G — вес (сила тяжести) определен-
ного количества (определенной массы)
жидкости; V — объем этого количества
жидкости.
Размерность удельного веса в со-
ответствии с формулой (2.1) равна
отношению единицы силы к единице
объема, т. е. Н/м3.
Плотность р жидкости представ-
ляет величину ее массы в единице
объема:
p = M/V, (2.2)
где М — масса жидкости в объеме V.
Размерность плотности — кг/м3.
Так как вес (сила тяжести) и масса
тела связаны между собой на осно-
вании второго закона Ньютона (б =
= Mg, где g = 9,81 м/с2 — ускорение
свободного падения), то аналогично
связаны между собой удельный вес
и плотность:
Y = pg. (2.3)
Отсюда p = y/g. Поэтому размер-
ность плотности представляет отно-
шение размерностей удельного веса и
ускорения.
Удельный объем v — объем едини-
цы массы—величина, обратная
плотности:
v = V/M=\/p. (2.4)
Его единица — м3/кг.
Удельный вес, плотность и удель-
ный объем капельных жидкостей и
газов не являются постоянными ве-
личинами, они зависят от давления
и температуры. При повышении
температуры жидкости ее удельный
вес и плотность уменьшаются, а
удельный объем увеличивается. Теп-
ловое расширение жидкостей харак-
теризуется температурным коэффи-
циентом объемного расширения 0(,
который равен отношению прираще-
ния объема AV к первоначальному
объему Vo и приращению темпера-
туры А/ (при постоянном давлении):
Размерность Р/ обратна размернос-
ти температуры.
Из формулы (2.5) можно опре-
делить приращение объема жидкос-
ти при нагревании:
AV=₽/V0At (2.6)
Для капельных жидкостей величи-
на р( относительно невелика (для
воды 0,0004 при температуре
20—100 °C) и приращение их объема
при нагревании незначительно. Но
все же нагревание воды в системе
дизеля, объем которой составляет
более 1200 л, от 20 до 90 °C изменяет
эту величину на 40 л. Газы вообще
характерны высокими значениями
₽/•
При повышении давления удель-
ный вес и плотность жидкости
увеличиваются, а удельный объем
уменьшается. Сжимаемость жидкос-
тей характеризуется коэффициентом
объемного сжатия рр, который равен
относительному уменьшению объема
жидкости на единицу приращения
давления Др при неизменяемой
температуре:
1 AV
Др Уо ’
Рр
(2.7)
где ДУ — изменение объема (минус в
формуле указывает на его уменьшение).
Размерность £р обратна размер-
ности давления.
Рис. 2.1. Внутреннее трение в слое
жидкости
Уменьшение объема жидкости при
сжатии
ду=-рру0Ар. (2.8)
Величина 0Р для капельных жид-
костей также очень мала (₽р =
= 0,0005, если давление измеряется
в МПа), поэтому сжимаемостью
капельных жидкостей обычно можно
пренебрегать (их считают в гидрав-
лике несжимаемыми). Необходимо
отметить также, что жидкости прак-
тически не сопротивляются растяже-
нию.
Вязкость — свойство жидкости
оказывать сопротивление относи-
тельному перемещению ее частиц.
Предположим, жидкость (масло)
заполняет тонкий зазор между вра-
щающимся валом А и неподвижным
подшипником Б (рис. 2.1). Опыт
показывает, что частицы жидкости,
непосредственно соприкасающиеся с
граничными стенками, как бы прили-
пают к ним и имеют одинаковую
с ним скорость. Следовательно, слой
жидкости, примыкающий к валу А,
будет перемещаться со скоростью
вала и, а слой, соприкасающийся
с подшипником, будет неподвижен.
Таким образом, скорость промежу-
точных слоев жидкости в зазоре
будет различной и каждый из них
будет перемещаться (сдвигаться)
относительно соседних слоев. Внут-
реннее трение в жидкости оказы-
вает сопротивление такому сдвигу с
силой F по площади сдвига S.
Удельная сила трения т («тау») —
напряжение сдвига:
Г Д“ , с, ГЛ
т = Т=(1а/Г’ <2-9)
15
где ц («мю») — динамическая вязкость;
\u/\h — градиент скорости в слое жид-
кости: отношение разности скоростей
смежных слоев жидкости (Лм = И| —и2)
к расстоянию Д/г между ними (см.
рис. 2.1).
Единица измерения р, — Н-с/м2,
или Па "С. Эта единица очень зна-
чительна по своему размеру. По-
этому применяют дольную единицу—
миллипаскаль-секунду (мПа>с).
В гидравлике используется также
понятие кинематической вязкости v
(«ню»):
v = p./p, (2.10)
где р — плотность жидкости.
Единица измерения v — м2/с. Вяз-
кость характеризует степень подвиж-
ности частиц жидкости. Вода имеет
низкую вязкость, нефтепродукты
(различные масла, дизельное топли-
во) отличаются более высокой вяз-
костью.
Вязкость жидкостей уменьшается
при повышении их температуры.
Вязкие свойства и сжимаемость
жидкостей значительно усложняют
рассмотрение многих вопросов их
движения. Поэтому в гидравлике
часто пользуются понятием идеаль-
ной жидкости, т. е. условной жид-
кости, не обладающей вязкостью и
абсолютно несжимаемой. Такая жид-
кость имеет постоянную плотность,
не обладает внутренним трением и,
следовательно, не оказывает сопро-
тивления перемещению. Идеальных
жидкостей в природе не бывает,
но использование этого понятия об-
легчает выяснение основных законо-
Рис. 2.2. К выводу основного уравнения
гидростатики:
а — сосуд с жидкостью; б — элемент объе-
ма жидкости
16
мерностей гидравлики, используя ко-
торые применительно к реальным
жидкостям, необходимо учитывать
поправки на их вязкость и сжимае-
мость.
Основное уравнение гидростатики.
В открытом сосуде с жидкостью,
находящейся в покое (рис. 2.2, а),
представим мысленно на глубине h
площадку AS и рассмотрим условия
ее равновесия. Для этого выделим
элемент объема жидкости, располо-
женный над площадкой (рис. 2.2, б),
заменив его связи с окружающим
пространством внешними силами.
В горизонтальном направлении на
боковую поверхность цилиндра дей-
ствуют силы давления окружающей
его жидкости. Они уравновешивают-
ся как равные и противоположно
направленные.
В вертикальном направлении на
элемент действуют: сила внешнего
давления P — p0\S, где р0 — внешнее
давление на свободную поверхность
жидкости (для открытого сосуда—
атмосферное давление ра — ро)', сила
тяжести G массы жидкости в объеме
элемента (G=y/iAS = pg/iAS).
Обе эти силы действуют вниз. Од-
нако элемент, как и вся жидкость в
сосуде, находится в равновесии. Та-
кое равновесие возможно лишь при
наличии уравновешивающей силы R,
действующей на площадку со сторо-
ны остального объема жидкости,
т. е. снизу вверх. Эту распределен-
ную по площадке силу можно пред-
ставить, так же как и силу внеш-
него давления, в виде произведения
давления на площадь: 7? = pAS.
Величина p = R/\S носит название
гидростатического давления.
Гидростатическое давление харак-
терно двумя важными свойствами:
оно всегда направлено перпендику-
лярно к площадке, на которую дейст-
вует; величина гидростатического
давления в любой точке объема
жидкости не зависит от положения
(угла наклона) площадки, на кото-
рую оно действует (иными словами,
в данной точке оно одинаково по
всем направлениям).
Условием равновесия выделенного
объема в вертикальном направлении
будет уравнение /? — Р—G = 0 или
pAS — poAS — pghAS=0.
Отсюда
p=po + pgh = po+yh. (2.11)
Уравнение (2.11) называют основ-
ным уравнением гидростатики. Оно
показывает, что гидростатическое
давление в любой точке внутри
жидкости равно давлению на ее сво-
бодную поверхность, сложенному с
давлением столба жидкости, высота
которого равна глубине точки, в ко-
торой измеряется давление.
Гидростатическое давление по
формуле (2.11) называют полным,
или абсолютным.
Избыточное (или манометриче-
ское) давление
рИзб==р — po = pgh = yh. (2.12)
Измерение давления. Как видно
из уравнения (2.12), избыточное дав-
ление совпадает с давлением столба
жидкости. Это совпадение указывает
на простой и удобный способ из-
мерения небольших избыточных дав-
лений — по высоте столба жидкости.
Простейшим прибором такого типа
является пьезометр (рис. 2.3, а) —
вертикальная прозрачная трубка,
присоединенная к сосуду с жидко-
стью своим нижним концом. Верх-
ний конец трубки открыт. Если в со-
суде давление атмосферное—уров-
ни жидкости в нем и в трубке будут
одинаковы. Если же в сосуде давле-
ние выше атмосферного, столб жид-
кости в трубке будет выше уровня в
сосуде на высоту h, которая назы-
вается пьезометрической высотой
и является по уравнению (2.12) ме-
рой избыточного давления. Этот же
способ используется в общеизвест-
ном U-образном манометре (рис.
2.3, б), применяемом обычно для
измерений малых давлений в воздуш-
ных и газовых потоках. Если высота
трубки в таких приборах не превы-
шает 1 м, то наибольшее избыточ-
ное давление, которое можно изме-
Рис. 2.3. Измерение гидростатического давле-
ния:
а — пьезометр; б — U-образный манометр; в —
дифференциальный манометр
рить, не превышает 10 кПа. Для
измерений больших давлений приме-
няют манометры с ртутью, удельный
вес которой в 13,6 раза больше
удельного веса воды. Это позволяет
или увеличить диапазон измеряемых
давлений, или уменьшить высоту
трубок. Для измерения разности дав-
лений Ай в разных сосудах или в раз-
личных участках трубопровода при-
меняют дифференциальные маномет-
ры (рис. 2.3, в).
Для измерения высоких давлений
применяют металлические маномет-
ры (пружинные и мембранные).
Закон Паскаля. Из основного
уравнения гидростатики (2.11) сле-
дует, что внешнее давление, при-
ложенное к свободной поверхности
жидкости, находящейся в ограничен-
ном сосуде, передается в любую
точку жидкости без изменения. Ины-
ми словами: давление, приложенное
в каком-то участке замкнутой гид-
равлической системы, сообщается
всей жидкости, находящейся в си-
стеме.
Это положение, называемое за-
коном Паскаля, широко использует-
ся в технике в различных гидрав-
лических устройствах, предназначен-
ных для «выигрыша» в силе (грузо-
подъемные устройства, домкраты,
прессы) или передачи силы на рас-
стояние (гидропривод). Устройства,
основанные на законе Паскаля, ши-
роко применяются и в тепловозо-
строении. Это, например, гидравли-
ческое управление иглой форсунки
дизеля, гидростатический привод
вентиляторов, сервомотор регулято-
17
ра частоты вращения вала дизеля
и т. п.
Принципы их действия иллюстри-
руются схемами рис. 2.4. Если соеди-
нить два цилиндра диаметрами di и
d2, заполненные жидкостью (рис.
2.4, а), или просто расположить два
разных поршня в одном резервуаре
(рис. 2.4, б), то, приложив силу Pi
к поршню малого цилиндра, мы со-
здадим во всей системе давление
p = 4Pi/(nd2i). Под действием этого
давления поршень большого цилинд-
ра при перемещении способен пре-
одолеть гораздо большее усилие:
лс/? 4Р, лс/? / с/2\2
значение которого зависит от квад-
рата соотношения диаметров этих
цилиндров. Так, например, устроены
гидравлические домкраты. На осно-
ве этого принципа создаются гид-
равлические прессы, способные раз-
вивать колоссальные усилия (тысячи
и десятки тысяч тонн).
Схема (рис. 2.4, в) показывает
передачу управляющего усилия на
Рис. 2.5. К определению давления жид-
кости на вертикальную стейку
1«
расстояние: приложив силу Pi к
поршню цилиндра А, соединенного
трубопроводом с цилиндром Б, мы
заставим перемещаться его поршень,
несмотря на то, что цилиндры могут
быть удалены друг от друга.
Давление жидкости на стенку
сосуда в соответствии с основным
законом гидростатики неодинаково
по высоте.
Это наглядно видно на примере
вертикального резервуара (рис. 2.5).
Если просверлить в его боковой стен-
ке несколько отверстий на разной
высоте, то мы увидим, что вода будет
вытекать из них в горизонтальном
направлении и дальность струи будет
тем больше, чем ниже отверстие.
Этот опыт подтверждает также, что
вода оказывает именно боковое дав-
ление на стенку, перпендикулярное
к ее поверхности. Если требуется
определить силу давления жидкости
на плоскую стенку сосуда, то необ-
ходимо иметь в виду, что на уровне
свободной поверхности давление на
стенку равно внешнему давлению
ро(Л = О), а на дно сосуда давление
p = Po + pgH. Так как гидростатиче-
ское давление по уравнению (2.11)
линейно зависит от глубины, то, чтобы
вычислить силу давления на всю
стенку, достаточно определить сред-
нее давление: pCp = Po4~pg///2 и ум-
ножить его на площадь стенки.
2.2. ГИДРОДИНАМИКА
Движущуюся массу жидкости для
возможности анализа закономернос-
тей движения в гидродинамике счи-
тают состоящей из отдельных элемен-
тарных струй, каждая из которых
перемещается, не смешиваясь с дру-
гими. Совокупность элементарных
струй представляет поток жидкости.
Потоки характеризуются живым се-
чением и расходом.
Живым сечением потока называет-
ся поверхность, перпендикулярная в
каждой точке сечения направлению
течения жидкости в этой точке. В
общем случае, когда направления
движения в отдельных элементарных
струйках различны, живое сечение
представляет криволинейную поверх-
ность. Если направления одинако-
вы — живое сечение 1-2-3-4-1 будет
плоским (рис. 2.6, а). Но даже в
плоском живом сечении скорости те-
чения Vi в отдельных струйках, хотя
и направлены одинаково, но различ-
ны по величине в отдельных точках
(а, Ь, ..., i, .... п) этого сечения.
Картина распределения скоростей по
сечению называется полем скоро-
стей.
Живое сечение характеризуют сле-
дующие параметры:
площадь живого сечения S, опре-
деляемая как часть поперечного се-
чения канала, ограничивающего по-
ток жидкости, занятой ею (площадь
11г на рис. 2.6, а);
смоченный периметр х («кап-
па») — часть периметра поперечного
сечения канала (1-2-3-4), которая
смачивается жидкостью;
гидравлический радиус /? = S/x,
представляющий отношение площа-
ди живого сечения к смоченному
периметру. Для круглой трубы гид-
равлический радиус равен четверти
ее диаметра.
Расходом называется количество
жидкости, протекающее через живое
сечение в единицу времени. Разли-
чают объемный расход Q (м3/с) и
Массовый М (кг/с):
M=pQ. (2.13)
Средняя скорость потока v пред-
ставляет собой частное от деления
объемного расхода на площадь жи-
вого сечения (м/с):
v — Q/S. (2.14)
Зная среднюю скорость потока,
можно определить объемный расход
жидкости в нем
Q = vS. (2.15)
Потоки жидкости могут иметь раз-
личный характер движения. Движе-
ние называют установившимся, если
в каждой точке потока величины
скорости, давления и температуры
жидкости (различные в разных точ-
ках) с течением времени не меняют-
ся. Несоблюдение любого из условий
делает движение потока неустано-
вившимся.
Установившееся движение назы-
вается равномерным, если поток по
всей длине имеет одинаковые живые
сечения и, следовательно, скорости.
Уравнение неразрывности потока.
Если в установившемся потоке жид-
кости выделить сечения А и Б (рис.
2.6, б), то объемные расходы жид-
кости в этих сечениях Qf, — Vf,SA и
Рис. 2.6. Схемы потока жидкости
19
<2Б=иБ5Б должны быть одинаковы,
так как поток сплошной, в нем нет
никаких пустот, жидкость несжимае-
ма, и между этими сечениями она
никуда не расходуется и ниоткуда
не поступает. Отсюда следует, что и
в других сечениях неразветвленного
потока расходы жидкости должны
быть также одинаковы.
Следовательно,
Q = t)S = const. (2.16)
Уравнение (2.16) называется урав-
нением неразрывности потока, или
уравнением постоянства расхода. По
существу оно выражает общеизвест-
ный закон сохранения массы.
Из этого уравнения следует, что
Уа/уб = '$б/За, т. е. средние скорости
потока обратно пропорциональны
площадям его живых сечений. На-
пример, если диаметр трубы увели-
чить в два раза, скорость потока
уменьшится в 4 раза.
Уравнение Бернулли. Рассмотрим
состояние элемента установившегося
потока идеальной жидкости между
сечениями А и Б (см. рис. 2.6, б)
через малый промежуток времени А/
(рис. 2.6, в). Ограничивающие его
сечения за это время переместятся:
А — в положение А' на расстояние
Д/д=идД/, а Б — в положение Б'
на расстояние Д/Б = иБД/.
Определим изменение кинетичес-
кой энергии рассматриваемого эле-
мента потока при перемещении его
из положения АБ в положение А'Б'.
Очевидно, что кинетическая энергия
основной части объема между сече-
ниями Л' и Б не меняется. Различать-
ся могут лишь кинетические энергии
частей объема между сечениями
А и А', которую рассматриваемый
элемент освобождает при течении,
и между сечениями Б и Б', занимае-
мой вновь.
Из механики известно, что кинети-
ческая энергия движущегося тела
равна половине произведения массы
его на квадрат скорости (ЕКИН =
=mv2/2). Кинетическая энергия эле-
мента объема между сечениями А и
А' равна
20
£KA„„ = pQA/aAy2A/2, (2.17)
где pQ&t — MAt=m — масса жидкости в
объеме элемента АА'; аА — коэффициент
Кориолиса. Этот коэффициент компен-
сирует неточность, которая возникает,
если кинетическую энергию рассчиты-
вать по средней скорости потока (дей-
ствительная кинетическая энергия равна
сумме кинетических энергий отдельных
струй потока). Безразмерный коэффици-
ент а представляет отношение дейст-
вительной кинетической энергии к ее зна-
чению, рассчитанному по средней скорос-
ти. Значения а зависят от неравно-
мерности скоростей потока по сечению
и обычно лежат в пределах 1 —1,10.
Поэтому часто величиной а в расчетах
пренебрегают.
Аналогично для элемента ББ'
E\m = pQAtabv2b/2. (2.18)
Разность этих величин, или измене-
ние кинетической энергии,
Д£'кин = ^-р<2Д<(аБг’Б—«а^а)- (2-19)
Изменение энергии тела, как сле-
дует из механики, равно работе внеш-
них сил. Такими силами для элемента
потока являются силы тяжести и си-
лы гидростатического давления на
торцовые сечения элемента.
Работа силы тяжести равна произ-
ведению веса тела на величину его
перемещения по вертикали. Согласно
уравнению постоянства расхода
(2.16) массы частей потока АА' и
ББ' одинаковы. Их вес равен pgQA/,
а перемещение по вертикали — раз-
ности ординат zA —гБ. Тогда работа
силы тяжести
A£g=pgQA/(zA—£Б). (2.20)
Давления на торцы объема раз-
личны по величине (рА=И=рБ) и про-
тивоположны по знаку ( + Ра и
— рБ), так как давление рБ препятст-
вует течению потока.
Работа сил давления АЕР —
= Ра$а^1к—РбЗьА1ъ.
Произведения 5АД/А и 5бД/б пред-
ставляют собой части объема между
сечениями А—А' и Б—Б'. По уравне-
нию постоянства расхода они одина-
ковы и равны каждое QAZ (напри-
мер, БаД/а = 5ауаД/ = QAt).
Тогда
Д£р = (Рл— РбЮЫ- (2-21)
Так как
А£кин = Ч” А^р,
то 1-рРД/(аБг>2Б— аАг>гА) =pgQM(zA—
— 2б) +(Ра—Рб) Q^t-
Разделим все члены этого выраже-
ния на вес рассматриваемого элемен-
та потока pgQAt, т. е. будем рас-
сматривать удельную энергию на
единицу веса. Тогда получим (имея
в виду, что y = pg):
«а , Ра Рб
“Б 2g “А 2g Zk 2б + т т ’
После перестановки членов имеем
2 2
, Ра , «а , Рв , vb
ZA + — + «A-2J- - 2Б + — +
(2.22)
Выражение (2.22) называется урав-
нением Бернулли для идеальной жид-
кости. Это одно из важнейших урав-
нений гидравлики, оно в 1738 г. впер-
вые было установлено известным уче-
ным Даниилом Бернулли, членом
Российской Академии наук.
Так как выполненное рассуждение
можно провести и для любых других
сечений и элементов потока, то
уравнение (2.22) можно записать в
более общем виде:
2 +а-^-= const. (2.23)
Выражение (2.23) применительно
к движению идеальной жидкости
выражает закон сохранения энергии.
Оно говорит о том, что удельная
энергия в установившемся потоке
идеальной жидкости постоянна, она
не может ни увеличиваться, ни
уменьшаться. Изменение одного из
слагаемых должно неизбежно при-
водить к изменению других слагае-
мых.
Рассмотрим подробнее слагаемые
удельной энергии в уравнениях
(2.22) и (2.23). Все они имеют ли-
нейную размерность (м). Для слагае-
мого z это очевидно, но нетрудно
убедиться в этом и для других слагае-
мых:
М-21Д1-М
[т] м2 Н
а [ v2 ] (м/с)2 м2 • с2
И ТТТ] м/с2 ~ с2 - м ~ М’
Первый член уравнения (2.23)
представляет геометрическую высоту
(геометрический напор) рассматри-
ваемого сечения потока над выбран-
ным уровнем сравнения, для которого
2 = 0.
Второй член — это гидростатичес-
кое давление, выраженное высотой
столба жидкости.
Третий член уравнения выражает
кинетическую энергию потока и назы-
вается скоростным (или динамичес-
ким) напором.
Таким образом, каждое слагае-
мое — это отдельный вид удельной
энергии: z — удельная энергия вы-
соты (или положения); р/у — удель-
ная энергия давления; aa2/2g —
удельная кинетическая энергия.
Сумма всех слагаемых может
быть названа полной удельной энер-
гией потока И (полным напором).
Следовательно, уравнение Бернул-
ли можно представить в простом
виде:
// = const, (2.24)
имея в виду, что
// = 2 + ^- + -^. (2.25)
Из последнего уравнения, в част-
ности, следует, что при увеличении
скорости течения жидкости давление
в потоке уменьшается и, наоборот,
уменьшение скорости потока вызы-
вает повышение давления в нем.
Это положение называют законом
Бернулли.
Уравнения (2.22) — (2.25) получе-
ны для жидкости, не имеющей вяз-
кости. При течении реальной жид-
кости вследствие ее вязкости часть
энергии затрачивается на преодоле-
ние трения (внутреннего — между
21
Рис. 2.7. Графическая иллюстрация закона
Бернулли
Таким образом, полная удельная
энергия потока реальной жидкости
в любом сечении равна полной
удельной энергии в любом предшест-
вующем сечении за вычетом потерь
давления на участке потока между
этими сечениями:
ЯА=ЯБ+ДЯАБ. (2.27)
Рассмотрим некоторые частные
случаи уравнения (2.26). Если поток
движется горизонтально (zA = zB),
уравнение приобретает вид
Рис. 2.8. Измерение скорости потока жидкости
отдельными струями потока и внеш-
него—о стенки канала). Эта часть
энергии, как и всякая работа сил
трения, преобразуется в тепловую
энергию и рассеивается в окружаю-
щую среду, т. е. для механической
энергии потока теряется безвозврат-
но. Поэтому для реальной жидкости
нельзя ограничиваться рассмотре-
нием только механической энергии,
для нее закон сохранения энергии
надо рассматривать в общем виде.
Однако чтобы не вводить чрезмер-
ных усложнений, можно представить
потерянную часть механической
энергии в виде дополнительной по-
тери давления потока вследствие
трения. Тогда уравнение Бернулли
для реальной жидкости можно пред-
ставить на основе уравнения (2.22),
включив в правую часть четвертое
слагаемое АН АБ, представляющее
собой необратимую потерю энергии,
связанную с преодолением сопротив-
лений течению потока на участке АБ:
Ра “а“2а _ Рб “гХ
I у + “Г" у I 2g "Т
+ ДЯАБ- (2.26)
(2.28)
Из выражения (2.28) видно, что в
этом случае уменьшение скорости
течения (например, если пв<пА
вследствие увеличения диаметра тру-
бопровода) может привести к увели-
чению статического давления в точке
Б по сравнению с точкой А.
Если же жидкость течет в гори-
зонтальном канале одинакового сече-
ния (трубе), то пА — оБ. Уравнение
существенно упрощается: рА —рв =
= уАНАБ, т. е. в этом случае раз-
ность давлений в двух точках пред-
ставляет потерю давления на трение
между этими точками.
Ввиду того что все члены уравне-
ния Бернулли имеют линейную раз-
мерность, его можно наглядно пред-
ставить графически, как это сделано
на рис. 2.7 для участка потока АБ
(см. рис. 2.6). Точки А и Б на рис. 2.7
обозначают центры тяжести соответ-
ствующих сечений, а отрезки орди-
нат, измеренные от условного уровня
О—0,— частные и полные удельные
энергии потока.
Уравнение Бернулли имеет очень
широкое применение в гидравличес-
кой технике. На его основе рассчи-
тываются гидравлические системы и
машины. Оно также служит основой
для проведения измерений в потоках
жидкости, например для измерений
скоростей, расхода и т. п.
Наиболее простым устройством
для измерения местной (локальной)
22
скорости жидкости является трубка
Пито-Прандтля (рис. 2.8, а), пред-
ставляющая комбинацию пьезометра
и трубки Пито с изогнутым концом,
направленной навстречу потоку (рис.
2.8, б). Трубка Пито показывает пол-
ный напор жидкости в потоке
(р/у + и2/2g), а пьезометрическая
трубка—статический напор р/у.
Таким образом, разность уровней в
трубках А/г соответствует динами-
ческому напору v2/2g. Следователь-
но, скорость жидкости в точке изме-
рения
v = k-y/2g\h, (2.29)
где k — тарировочный коэффициент, учи-
тывающий вязкость жидкости и особен-
ности конструкции и установки трубки.
Изменяя положение трубки по вы-
соте, можно установить распределе-
ние скоростей жидкости по сечению
и вычислить среднюю скорость, по
которой определяется расход жид-
кости.
2.3. ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ
ПО ТРУБАМ
Гидравлические сопротивления.
При течении жидкости по трубам
ей приходится затрачивать энергию
на преодоление сил внешнего и внут-
реннего трения. В прямых участках
труб эти силы сопротивления дейст-
вуют по всей длине потока и общая
потеря энергии на их преодоление
прямо пропорциональна длине тру-
бы. Такие сопротивления называются
линейными. Их величина (потеря
давления) зависит от плотности и
вязкости жидкости, а также от диа-
метра трубы (чем меньше диаметр,
тем больше сопротивление), скорости
течения (увеличение скорости уве-
личивает потери) и чистоты внутрен-
ней поверхности трубы (чем больше
шероховатость стенок, тем больше
сопротивление).
Кроме трения в прямых участках,
в трубопроводах встречаются допол-
нительные сопротивления в виде по-
воротов потока, изменений сечения,
кранов, ответвлений и т. п. В этих
случаях структура потока нарушает-
ся и его энергия затрачивается на
перестроение, завихрения, удары. Та-
кие сопротивления называют местны-
ми. Линейные и местные сопротив-
ления являются двумя разновиднос-
тями так называемых гидравличес-
ких сопротивлений, определение ко-
торых составляет основу расчета лю-
бых гидравлических систем.
Режимы течения жидкости.. В
практике наблюдаются два характер-
ных режима течения жидкостей:
ламинарный и турбулентный.
При ламинарном режиме элемен-
тарные струйки потока текут парал-
лельно, не перемешиваясь. Если в
такой поток ввести струйку окра-
шенной жидкости, то она будет
продолжать свое течение в виде
тонкой нити среди потока неокра-
шенной жидкости, не размываясь.
Такой режим течения возможен при
очень малых скоростях потока. С
увеличением скорости выше опре-
деленного предела течение становит-
ся турбулентным, вихреобразным,
при котором жидкость в пределах
поперечного сечения трубопровода
интенсивно перемешивается. При по-
степенном увеличении скорости окра-
шенная струйка в потоке сначала
начинает колебаться относительно
своей оси, затем в ней появляются
разрывы из-за перемешивания с дру-
гими струями и затем вследствие
этого весь поток получает равно-
мерную окраску.
Наличие того или иного режима
течения зависит от величины отно-
шения кинетической энергии потока
(^-mv2=Jj-pVu2) к работе сил внут-
реннего трения (Fl = I) —см.
(2.9).
Это безразмерное отношение
^-рЕи2/ (p,S^/) можно упростить,
имея в виду, что Au пропорцио-
нально v. Величины I и АЛ также
23
имеют одну и ту же размерность,
и их можно сократить, а отношение
объема V к поперечному сечению S
является линейным размером d.
Тогда отношение кинетической
энергии к работе сил внутреннего
трения с точностью до постоянных
множителей можно характеризовать
безразмерным комплексом:
Re = ±^ = A (2.30)
р. v '
который называется числом (или
критерием) Рейнольдса в честь анг-
лийского физика Осборна Рейнольд-
са, в конце прошлого века экспе-
риментально наблюдавшего наличие
двух режимов течения.
Малые значения чисел Рейнольдса
свидетельствуют о преобладании ра-
боты сил внутреннего трения в потоке
жидкости и соответствуют ламинар-
ному течению. Большие значения Re
соответствуют преобладанию кинети-
ческой энергии и турбулентному
режиму течения. Граница начала
перехода одного режима в другой —
критическое число Рейнольдса — со-
ставляет ReKp = 2300 для круглых
труб (в качестве характерного раз-
мера принимается диаметр трубы).
В технике, в том числе и тепло-
возной, в гидравлических (в том чис-
ле воздушных и газовых) системах
обычно имеет место турбулентное те-
чение жидкостей. Ламинарный ре-
жим бывает лишь у вязких жидкос-
тей (например, масло) при малых
скоростях течения и в тонких кана-
лах (плоские трубки радиатора).
Расчет гидравлических сопротив-
лений. Линейные потери напора
определяются по формуле Дарси-
Вейсбаха:
I п2
U xbg
где X («лямбда») — коэффициент ли-
нейного сопротивления, зависящий от
числа Рейнольдса. Для ламинарного
потока в круглой трубе X = 64/Re (за-
висит от скорости), для турбулентных
потоков величина X мало зависит от
24
скорости и, главным образом, опреде-
ляется шероховатостью стенок труб.
Местные потери напора также счи-
таются пропорциональными квадра-
ту скорости и определяются так:
о2
ДЯ» = £-£-. (2.32)
где («дзета») — коэффициент мест-
ного сопротивления, зависящий от типа
сопротивления (поворот, расширение
и т. п.) и от его геометрических
характеристик.
Коэффициенты местного сопротив-
ления устанавливаются опытным пу-
тем, их значения приводятся в спра-
вочниках.
Понятие о расчете гидравлических
систем. При расчете любой гидрав-
лической системы решается обычно
одна из двух задач: определение
необходимого перепада давлений
(напора) для пропуска данного рас-
хода жидкости или определение рас-
хода жидкости в системе при задан-
ном перепаде давлений.
В любом случае должна быть опре-
делена полная потеря напора в си-
стеме А Я, которая равна сумме со-
противлений всех участков системы,
т. е. сумме линейных сопротивлений'
всех прямых участков трубопроводов
и местных сопротивлений других
элементов системы:
ДИ-ХДИ. + ХДИ.-Х^зЙ +
+2 (Нт)' <233»
Если во всех участках трубопро-
вода средняя скорость течения оди-
накова, уравнение (2.33) упрощается:
Д//= px^- + S^^-. (2.34)
Обычно в системе имеются участ-
ки, скорости течения в которых от-
личаются друг от друга. В этом
случае удобно привести уравнение
(2.33) к другой форме, учитывая,
что расход жидкости постоянен для
всех элементов системы (без ответв-
лений). Подставив в условие (2.33)
значения v — Q/S, получим
““S (*72&)+2(fcS)-*«’•
(2.35)
+*(»]-
гидравлическая характеристика, или об-
щий коэффициент сопротивления систе-
мы.
Необходимо иметь в виду, что рас-
чет трубопроводов не является ре-
шением задачи с одним определен-
ным ответом. Его результаты зави-
сят от выбора величины диаметров
участков трубопровода или скоростей
в них. Действительно, можно принять
в расчете невысокие значения ско-
ростей и получить небольшие потери
напора. Но тогда при заданном
расходе сечения трубопроводов (диа-
метры) должны быть большими,
система будет громоздкой и тяже-
лой. Приняв высокие скорости тече-
ния в трубах, мы уменьшим их попе-
речные размеры, но при этом сущест-
венно (пропорционально квадрату
скорости) возрастут потери напора и
затраты энергии на работу системы.
Поэтому при расчетах обычно задают-
ся какими-то средними, «оптималь-
ными», значениями скоростей тече-
ния жидкости. Для водяных систем
оптимальная скорость имеет порядок
примерно 1 м/с, для воздушных
систем низкого давления — 8—
12 м/с.
Гидравлический удар представляет собой
явление, происходящее в потоке жидкости
при быстром изменении скорости его течения
(например, при резком закрытии задвижки
в трубопроводе или остановке насоса). В
этом случае кинетическая энергия потока
мгновенно переходит в потенциальную энер-
гию и давление потока перед задвижкой
резко возрастает. Область повышенного дав-
ления затем распространяется от задвижки
в сторону еще не заторможенного полностью
потока со скоростью, близкой к скорости
звука а в этой среде.
Резкое повышение давления приводит если
не к разрушению, то к упругой деформации
элементов трубопровода, что уменьшает силу
удара, но усиливает колебания давления
жидкости в трубе. Величина скачка давле-
ния при полной остановке потока жидкости,
имевшего скорость v, определяется по фор-
муле выдающегося русского ученого — про-
фессора Н. Е. Жуковского, полученной им в
1898 г.: Др = роа, где р — плотность жидкости.
С целью предотвращения ударных явле-
ний в крупных гидравлических системах
(например, водопроводных сетях) запорные
устройства выполняют так, чтобы их закрытие
происходило постепенно.
2.4. НАСОСЫ И ВЕНТИЛЯТОРЫ
Насосом называется гидравличес-
кая машина для напорного переме-
щения жидкости по трубопроводам и
гидравлическим системам в резуль-
тате сообщения жидкости энергии
(кинетической и потенциальной).
Вентиляторы предназначены для
подачи воздуха или других газов под
давлением (обычно до 0,15 МПа).
Струйные насосы представляют со-
бой устройства для нагнетания (от-
сасывания) жидкой или газообраз-
ной среды, увлекаемой струей жид-
кости, пара или газа.
Работа насоса (вентилятора) ха-
рактеризуется расходом (подачей)
Q жидкости или газа, напором (дав-
лением) Н, к.п.д. ц и потребляемой
мощностью Расходом (объемным
или массовым) называется объем
(масса) жидкости или газа, пере-
мещаемый в единицу времени. На-
пор насоса (давление, развиваемое
вентилятором) — это приращение
удельной энергии потока жидкости
при входе и выходе из насоса (вен-
тилятора) .
По принципу действия насосы,
применяемые на тепловозах, можно
разделить на две группы: объемные,
в которых жидкость перемещается за
счет периодического изменения объе-
ма, занимаемого ею, и динамические,
преобразующие механическую энер-
гию, подведенную к лопастям насоса,
в энергию перемещаемой жидкости.
К объемным машинам относятся
поршневые, шестеренные, винтовые,
роторно-поршневые насосы и ротор-
ные воздушные нагнетатели, приме-
няемые для наддува дизелей.
По динамическому принципу рабо-
25
тают лопастные центробежные и осе-
вые насосы и вентиляторы.
Насосная установка (рис. 2.9) в
общем случае представляет собой
насос 3, всасывающий жидкость из
расходного резервуара 5 по трубо-
проводу 4 и подающий ее по трубо-
проводу 2 в напорный резервуар 1.
В насосной установке должна за-
трачиваться работа для подъема
жидкости на геометрическую высоту
z, представляющую разницу уровней
свободных поверхностей жидкости
нижнего и верхнего резервуаров,
на преодоление разности давлений
pi и рг в этих резервуарах, на
сообщение кинетической энергии
жидкости и на преодоление сил гид-
равлического сопротивления 2/гП0т
трубопроводов. Затраченная энер-
гия, отнесенная к единице массы
жидкости, является полным напором
gH насосной установки и в соответ-
ствии с уравнением Бернулли
„ , Р2-Р. , 02-»? ,
gH — gz--------------1----g-----t-g2fcnOT.
(2.36)
где pi и рг — давление в расходном и
напорном резервуарах, Па; vt и v? —
скорости жидкости в контрольных сече-
ниях на входе и выходе, м/с.
Напор gH как удельная работа в системе
СИ измеряется в Дж/кг и может быть
приведен к высоте столба жидкости, выражен-
ной, например, в метрах водяного столба
(единица измерения напора в метрах в 9,81
Рис. 2.9. Схема насосной уста-
новки
раза больше величины напора, выраженной
в Дж/кг). Слагаемые уравнения (2.36)
формально имеют размерность м2/с2, а по фи-
зическому смыслу выражают энергию, от-
несенную к 1 кг жидкости: Дж/кг = НХ
X м/кг= (кг-м/с2Х (м/кг) =м2/с2).
Давление, развиваемое насосом,
можно получить, если все состав-
ляющие уравнения (2.36) умножить
на плотность р жидкости:
О? — »?
pgfi = pgZ + р2 — Pi + Р-2----|"
“I" РД^^пот-
Слагаемые этого уравнения имеют
размерность давления Па (Н/м2)
и выражают энергию (Дж) или
(Н-м), отнесенную к единице объема
(м3) жидкости.
Полезная мощность насоса (венти-
лятора) — это энергия, подводимая к
перемещаемой жидкости (газу) в
единицу времени:
/V = __ _QP_ (2 37)
1000 1000’ { >
где М — массовый расход, кг/с (Л1 =
= Qp); Н — напор, м; Q—объемный
расход, м3/с; р—давление, Па.
Объемные насосы. В объемных на-
сосах перемещение жидкости осу-
ществляется за счет вытеснения ее
движущимся рабочим органом —
поршнем или плунжером. При дви-
жении вытеснителя 7 (рис. 2.10, а)
объем рабочей камеры 4 периоди-
чески изменяется, а полный цикл
работы насоса состоит из хода вса-
сывания и хода нагнетания. Во
время хода поршня вправо в рабо-
чей камере образуется разрежение,
благодаря чему жидкость под дейст-
вием атмосферного давления подни-
мается из резервуара 1 по всасы-
вающему трубопроводу 2, проходит
через открывшийся всасывающий
клапан 3 и заполняет рабочую ка-
меру 4. В течение хода поршня
влево всасывающий клапан закры-
вается и жидкость вытесняется через
нагнетательный клапан 6 в напор-
ный трубопровод 5. У плунжерных
насосов вместо поршня- диска приме-
няется удлиненный цилиндр — плун-
26
жер; эти насосы создают давление
до нескольких десятков МПа.
Расход жидкости не является
постоянным в течение двойного хода
поршня (плунжера). Объем жидкос-
ти, вытесняемый поршнем за одну
секунду, Qc = fv, где v — скорость
поршня; f — площадь поршня. Путь,
пройденный поршнем от его мерт-
вой точки, x = R— /?cos<p, где R—
радиус кривошипа; <р — угол пово-
рота кривошипа.
Скорость поршня
dx г, . dtp п .
v = = R sincp = R sinqxo
где о — угловая скорость (частота вра-
щения) кривошипа.
Тогда секундный расход жидкости
Qc = /^cosin<p.
На рис. 2.10, б изображен график
геометрической подачи жидкости в
зависимости от времени для одно-
плунжерного насоса, который пока-
зывает, что движение жидкости как
в насосе, так и в трубопроводах
неустановившееся. При большой
длине напорного трубопровода, а
значит, и при большой массе уско-
ряемой жидкости могут возникнуть
большие давления, опасные для дета-
лей насоса и самого трубопровода.
С другой стороны, при ходе всасы-
вания, в случае большой длины вса-
сывающего трубопровода, необходи-
мо иметь большое разрежение, что
может привести к образованию пара
между поршнем и жидкостью и, как
следствие, к значительным ударам
и толчкам в насосе. Для снижения
пульсаций давления применяют мно-
гопоршневые насосы, насосы двойно-
го действия, воздушные напорные
колпаки.
Из графика (см. рис. 2.10, б) сле-
дует, что средний расход Qcp значи-
тельно меньше максимального Qmax,
взятого по наибольшей ординате си-
нусоиды.
В случае применения кулачкового
привода плунжерного насоса могут
быть получены различные, отлича-
ющиеся от синусоидального графи-
ки расхода в зависимости от выбора
очертания рабочего профиля кулач-
ка (на рис. 2.10, б показан трапе-
цеидальный график — штриховая
линия).
Если частота вращения кривоши-
па (кулачка) насоса выражена чис-
лом оборотов в минуту п, то теоре-
тический объемный расход жидкости
<2т = (лД2/4)$п/60 = Fsn/60 (м3/с),
где произведение Fs соответствует
объему жидкости, перемещаемому за
один ход плунжера.
Действительный расход поршнево-
го (плунжерного) насоса всегда
меньше теоретического в связи с
перетеканием жидкости из полости
нагнетания во всасывающую полость
через зазоры между вытеснителем и
гильзой цилиндра и уплотнения.
При определении мощности NH,
необходимой для привода насоса,
следует учитывать общий к.п.д.
насоса т]н:
N = 2L = ДУ_
(2.38)
Рис. 2.10. Схема поршневого насоса (а) и график расхода Q в зависимости
от времени (б)
27
где т)мех — механический к.п.д., учиты-
вающий потери энергии на преодоление
сил трения (т]мех = 0,85-?-0,95); ц0—
объемный к.п.д., оценивающий сниже-
ние производительности насоса в связи
с неполным использованием рабочего
объема; зависит от конструкции насоса,
износа его рабочих органов (q0 =
= 0,84-0,98); — гидравлический
к.п.д., учитывающий потери энергии,
затрачиваемой на преодоление гидрав-
лического сопротивления клапанов и ка-
налов насоса (т)г = 0,84-0,95).
Таким образом, значение полного
к.п.д. поршневых (плунжерных) на-
сосов оценивается величиной 0,6—
0,9.
Для обеспечения нормальной рабо-
ты поршневых насосов особое зна-
чение представляет установление на-
ибольшей возможной высоты zBC
всасывания жидкости, которая опре-
деляется из выражения
gzBC ~ ^вс (2.39)
где рат и pmin—величины абсолютного
давления (Па) в напорной магистрали
при пуске насоса и минимального давле-
ния при адиабатическом расширении
воздуха за время хода всасывания;
/гВс — гидравлическое сопротивление
(Дж/кг) всасывающего тракта насоса.
Если возможная высота всасыва-
ния жидкости поршневым насосом
недостаточна для насосной установ-
ки, то необходимо заполнить всасы-
вающий тракт путем перепуска жид-
кости из напорного трубопровода.
Необходимо иметь в виду также,
что пуск насоса и его работа при
перекрытом напорном трубопроводе
не допускаются во избежание поло-
мок насоса и гидравлической систе-
мы.
В тепловозостроении плунжерные
насосы высокого давления приме-
няются для подачи дизельного топ-
лива в цилиндры двигателя.
Неравномерность движения жид-
кости, присущая поршневым насо-
сам, сравнительно небольшая произ-
водительность и необходимость по-
стоянного ухода в условиях эксплуа-
тации ограничивают их применение
в гидравлических системах тепло-
возов.
Шестеренные и винтовые насосы.
Насосы, работающие по объемному
принципу, имеют непрерывное вра-
щательное движение рабочих орга-
нов — вытеснителей, осуществляю-
щих как перемещение, так и отсеч-
ку подаваемого объема жидкости.
Рабочие органы насосов этого типа
полностью уравновешены, что по-
зволяет использовать привод с бо-
лее высокой частотой вращения и,
следовательно, уменьшить массу и
габаритные размеры насосов.
Для вытеснения жидкости в шес-
теренном насосе (рис. 2.11, а) ис-
пользуется пара одинаковых шстерен
1 и 5, находящихся в зацеплении
и имеющих малые зазоры (измеряе-
мые десятыми долями миллиметра)
между их поверхностями и корпу-
сом 2. Процесс перемещения жид-
кости происходит при вращении
шестерен; при этом объемы жидкос-
ти, находящиеся между зубьями (во
впадинах) поступают из области вса-
сывания В в полость нагнетания И.
Рис. 2.11. Объемные насосы:
а — схема шестеренного насоса; б — схема запирания жидкости в пространстве между зубьями;
в — схема винтового насоса
28
Со стороны полости нагнетания на
участке зацепления зубьев часть
объема жидкости, находящейся во
впадинах, вытесняется зубьями шес-
терен, благодаря чему давление пере-
мещаемой жидкости увеличивается.
Для предохранения насоса и напор-
ного трубопровода, подключенного к
полости нагнетания от превышения
давления жидкости сверх допустимо-
го (например, при увеличении вяз-
кости жидкости от снижения темпе-
ратуры), устанавливают предохрани-
тельный клапан 4, который при оп-
ределенном давлении преодолевает
усилие затяжки пружины 3 и пере-
пускает часть жидкости из полости
нагнетания в полость всасывания.
Шестеренные насосы могут созда-
вать значительные давления, поэто-
му во избежание поломок элемен-
тов необходимо перед пуском на-
сосов открыть соответствующие вен-
тили и краны.
Объем (м3/с), вытесняемый из
впадин двух шестерен с числом зубь-
ев z и частотой вращения п (об/мин)
в единицу времени (с), определяется
из выражения Qc = 2zbfn/6Q, где
f — площадь рабочей части зуба
(приближенно подсчитывается как
с лД2 г,
/ = ——. здесь D — диаметр началь-
ной окружности шестерни); b — ши-
рина шестерни.
При определении действительной
производительности необходимо
учитывать объемные потери (утечки
жидкости через торцовые и радиаль-
ные зазоры), оцениваемые объемным
к.п.д. т]о = 0,8—0,9. Мощность, по-
требляемая шестеренными насосами,
определяется по формуле, аналогич-
ной для мощности поршневых (плун-
жерных) насосов. Общий к.п.д. на-
ходится в пределах 0,6—0,75.
Шестеренные насосы, так же как
и поршневые, имеют неравномерный
(пульсирующий) расход; пульсации
уменьшаются с увеличением чисел
зубьев шестерен. Шестеренные на-
сосы с внешним и внутренним за-
цеплением нашли широкое примене-
ние в масляных и топливных си-
стемах тепловозов.
При работе шестеренных насосов
объем, заключенный между зубьями
вращающихся шестерен, сначала
уменьшается, а затем увеличивает-
ся (см. рис. 2.11, б). При расшире-
нии объема, занимаемого жидкостью,
образуется глубокий вакуум, способ-
ствующий выделению воздуха из
жидкости, что приводит к ее вспени-
ванию и снижению эффективности
работы как насоса, так и гидро-
системы в целом. Это является не-
достатком таких насосов. Для умень-
шения этого вредного явления в ряде
тепловозных насосов применяют ко-
созубые или шевронные шестерни,
что одновременно уменьшает и не-
равномерность расхода, поскольку
разные участки зуба находятся в раз-
ных фазах зацепления.
Винтовые насосы. По сравнению -с
шестеренными насосами эти насосы
имеют следующие преимущества:
равномерность расхода жидкости и
отсутствие пульсации давления; по-
стоянство объема жидкости, находя-
щейся между рабочими органами-
вытеснителями; отсутствие вспенива-
ния жидкости (что весьма важно при
перекачивании дизельного масла и
топлива); высокий к.п.д. (0,8—0,85);
бесшумность и плавность работы. В
винтовом насосе (см. рис. 2.11, в)
вытеснителями жидкости являются
два или более винтов. Ведущий винт
7 находится в зацеплении с ведомыми
винтами 8 и 9, имеющими противо-
положное направление нарезки по
сравнению с ведущим винтом. Резь-
ба винтов представляет собой слож-
ный криволинейный профиль, наруж-
ный контур которого с весьма ма-
лым зазором охватывается корпу-
сом 6. Жидкость, поступающая из
полости всасывания В, заполняет
впадины, образуемые винтовой на-
резкой, и перемещается в осевом
направлении на величину шага за
один оборот ведущего винта. На-
гнетаемая жидкость переходит в по-
лость И, а затем в напорный трубо-
провод.
29
Теоретический расход жидкости
винтового насоса в течение одного
оборота ведущего винта соответст-
вует объему впадин на длине одного
шага. При частоте вращения веду-
щего винта п теоретическая про-
изводительность винтового насоса
определяется так:
Чт 60
где F — площадь расточки корпуса под
винты; f' и f" — площадь поперечного
сечения ведущего и ведомых винтов
(определяется по геометрическим пара-
метрам резьбы); t— шаг винта.
Величина (F— f' — f") t показыва-
ет объем жидкости, вытесняемой в те-
чение одного шага ведущего винта.
Винтовые насосы применяются в
гидросистемах отечественных и зару-
бежных тепловозных дизелей для по-
дачи топлива и масла. Недостатком
насосов этого типа является слож-
ность технологии изготовления вин-
тов.
Роторно-лопастные насосы. Насо-
сы действуют по принципу вытесне-
ния объема перемещаемой жидкости,
имеют сравнительно невысокие вели-
чины давления и расхода и при-
меняются для обеспечения функцио-
нирования системы смазки вспомо-
гательных агрегатов тепловозов (ре-
дукторов, компрессоров и др.). В
расточку корпуса 1 (рис. 2.12) с
некоторым эксцентриситетом е по-
Рис. 2.12. Схема роторно-лопастного на-
соса
мещен ротор (валик) 2, в прорезь
которого вставлены лопасти 3, раз-
жимаемые изнутри пружиной 4. При
вращении ротора жидкость, прохо-
дящая из полости всасывания В и
заполняющая серповидную полость
С, перемещается нижней лопастью в
направлении стрелки и затем вы-
тесняется в полость нагнетания Н.
Приращение давления жидкости про-
исходит за счет уменьшения объема
части серповидной полости, приле-
гающей к стороне нагнетания. Вели-
чину расхода роторно-лопастного на-
соса за один оборот валика можно
установить (при известной ширине
лопасти) как разницу объема, обра-
зуемого расточкой корпуса и объема,
занимаемого ротором и лопастями.
Аксиально-поршневые насосы. В
качестве вытеснителей эти насосы
(рис. 2.13, а) имеют поршни (плун-
жеры) 3, совершающие возвратно
поступательное осевое (или аксиаль-
ное) движение в блоке цилиндров 5,
приводимом в движение от двигателя
ведущим валом 9 и карданным ва-
ликом 8.
Для получения возвратно-поступа-
тельного движения поршней оси вра-
щения ведущего вала и блока ци-
линдров пересекаются под некоторым
углом у (обычно не более 30°).
Ведущий вал и блок цилиндров
вращаются в корпусе 1; механи-
ческая энергия от вала 9 передается
через сферические шарниры 7, штоки
6 и шарниры 2 поршням 3, которые
за один оборот блока совершают
ход всасывания и нагнетания. Жид-
кость подводится к цилиндрам и от-
водится от них через специальный
торцовый распределитель и крышку
4.
Теоретический расход жидкости
nd2 FDotgyzun
*2 — 60-4 SZu-n ~ 60 ’
где du и 5—диаметр и ход поршня, м;
zu — число поршней в блоке цилиндров;
F— площадь поршня, м2 (F = nd2/4);
Do — диаметр окружности расположения
осей цилиндров в блоке, м; п — частота
вращения ведущего вала, об/мин.
30
Рис. 2.13. Аксиально-поршневая гидромашина:
а— схема гидронасоса; б — схема передачи усилия от поршня к валу гидромотора
Мощность, необходимая для при-
вода насоса, находится из выраже-
ний (2.37) и (2.38).
Значения к.п.д. насоса т}н = 0,88-=-
-т-0,92; объемного к.п.д. аксиально-
поршневых насосов г|0 = 0,95-=-0,98.
Расход жидкости в аксиально-
поршневых насосах сравнительно не-
большой, значения скоростей движе-
ния жидкости по трубопроводам со-
ставляют 3—5 м/с, однако развивае-
мые давления достигают более
10 МПа. Это обстоятельство позво-
ляет использовать аксиально-порш-
невые гидромашины в качестве гид-
родвигателей, которые преобразуют
энергию давления подводимой к ним
жидкости в механическую энергию.
Для передачи энергии на небольшие
расстояния используют так называе-
мые обратимые гидромашины, одина-
ковые по принципу действия и кон-
струкции и связанные между собой
трубопроводами. Одна из машин яв-
ляется гидронасосом и преобразует
механическую энергию в энергию
давления жидкости, а другая — гид-
ромотор или гидродвигатель — испы-
тывает воздействие этого давления и
преобразовывает его в механичес-
кую энергию (необходимую, напри-
мер, для привода вспомогательных
агрегатов тепловозов).
Из схемы (рис. 2.13, б) видно,
что усилие, воспринимаемое поршнем
от жидкости, передается через шток
на сферический шарнир, к которому
приложена результирующая сила R,
дающая составляющие: осевую Ро<
и радиальную Ррад, воспринимаемые
подшипниками и корпусом гидрома-
шины, и окружную составляющую,
образующую на плече г вращаю-
щий момент, передаваемый приводи-
мому агрегату.
Преимуществом аксиально-порш-
невых гидродвигателей является спо-
собность передавать значительную
мощность при малых массе и габа-
ритных размерах (масса, приходя-
щаяся на 1 кВт передаваемой мощ-
ности, около 5—6 кг/кВт). К не-
достаткам следует отнести высокую
стоимость, связанную с особеннос-
тями технологии изготовления, и
сложность ремонта.
Лопастные центробежные и осе-
вые насосы и вентиляторы. В лопаст-
ных насосах происходит силовое
взаимодействие вращающихся ло-
пастей и частиц жидкости, приводя-
щее к изменению скорости жид-
кости при одновременном протека-
нии ее через рабочее колесо. При
взаимодействии лопастей с жид-
костью происходит увеличение кине-
тической энергии потока и ее потен-
циальной энергии давления. К центру
рабочего колеса 1 центробежного
насоса (рис. 2.14, а) подводится
жидкость через подводящий патру-
бок 2. Под действием вращающихся
лопастей 3 жидкость движется от
центра к периферии и далее — по
неподвижной спиральной камере 4
поступает в нагнетательный патру-
бок 5. В процессе движения в
полости рабочего колеса жидкость
31
Рис. 2.14. Центробежный насос:
а — схема; б— параллелограммы скоростей движения жидкости
совершает сложное движение: пере-
носное (вращательное) и относи-
тельное (вдоль каналов, ограничен-
ных соседними лопастями). Абсолют-
ное движение жидкости, рассматри-
ваемое относительно неподвижного
корпуса насоса, является суммой
переносного и относительного движе-
ний. На рис. 2.14, б показаны па-
раллелограммы скоростей частицы
жидкости, находящейся вблизи ло-
патки при входе в рабочее колесо
и выходе из него. Векторы скоростей
и их проекции имеют цифровые ин-
дексы 1 и 2, соответствующие входу
и выходу.
Векторы U и W представляют
окружную и относительную скорости.
Вектор абсолютной скорости С
имеет проекции: Си — окружная со-
ставляющая и Сг — радиальная со-
ставляющая. Угол а находится меж-
ду направлением векторов абсолют-
ной и окружной скоростей.
Таким образом, вектор абсолютной
скорости С частиц жидкости яв-
ляется суммой векторов относитель-
ной скорости W (при движении
вдоль лопасти) и вращательной
(окружной) скорости U, т. е. С —
= W + U.
Момент сил, действующих на частицы
жидкости массой т в рабочем канале на-
соса при движении по средней струйке от
входа к выходу,
M—lntCuzR? — mCutRt) /Ы.
Энергия, подводимая от рабочего колеса
насоса к жидкости, равна работе, совер-
шаемой моментом М, т. е.
32
С АЛ Л J m(^-u2^2 CU1 #t) <1>Д/
Е — Молы = —---------—----------=
А/
— т R% — Си| /?]) <о.
Теоретический напор колеса как удель-
ная энергия, сообщаемая единице массы жид-
кости, Hj==(CuiU2— CulUi).
Это уравнение было получено впервые
академиком Российской Академии наук Лео-
нардом Эйлером в 1755 г. и называется
его именем.
При определении действительного
напора, развиваемого насосом, учи-
тывается конечное число лопастей
рабочего колеса и гидравлический
к.п.д. насоса: 7/=цт,гАГт, где ц —
коэффициент, учитывающий конечное
число лопастей, р < 1,0; т]г — гидрав-
лический к.п.д. насоса, т}г = 0,8 4-
4-0,95. Теоретический расход цент-
робежного насоса определяется ра-
диальной составляющей абсолютной
скорости СГ2 и площадью f живого
сечения рабочего колеса на выходе
из насоса: QT = fC’r2 = 2n/?262C'2sina2,
где Ь2 — ширина рабочего колеса на
выходе.
Полный к.п.д. центробежных на-
сосов находится в пределах 0,7—0,8.
Лопастные насосы в связи с малой
высотой всасывания должны запол-
няться жидкостью при пуске.
Для подобных режимов работы
лопастных насосов, имеющих геомет-
рически подобные рабочие колеса,
производительность пересчитывается
по формуле Qi/Q2 = «i/n2(£)i/£)2)3,
где £)| и £)2 — диаметры двух рабо-
чих колес. Эта зависимость полу-
чается из условий подобия паралле-
лограммов скоростей: С ~ U ~ nD,
кроме того, Q ~ Cf ~ nDD2 = nD3.
Напор при подобных режимах ра-
боты согласно уравнению Эйлера за-
висит от квадрата произведения час-
тоты вращения на диаметр: Н\/Н% =
—[ri\D\l(ti-iD^, так как теоретичес-
кий напор насоса Ят~п2О2.
Мощность насосов изменяется в
соотношении
^2 X П2/ \ &2/ Рг
поскольку N ~ pQH ~ nD3n2D2p =
— pn3D3
Характеристики лопастных насо-
сов представляют собой графичес-
кую зависимость напора Н насоса от
расхода Q жидкости. С учетом гид-
равлических потерь энергии, которые
пропорциональны квадрату скорости,
а следовательно, и квадрату расхода
Q2, может быть построена характе-
ристика сети, показывающая требуе-
мый для подъема жидкости и прео-
доления сопротивления сети напор
насоса, определяемый суммой //с =
= Ятр = /7г + /7св + г<22, где Нг и Нсв—
геометрический и свободный напоры;
z — общий коэффициент сопротивле-
ния трубопроводов. Для определения
устойчивого режима работы насоса
на его характеристику наносят ха-
рактеристику сети (рис. 2.15, а);
точка пересечения этих характерис-
тик называется рабочей точкой для
данной сети. При регулировании
дросселированием (задвижкой) про-
исходит увеличение потерь напора
(рис. 2.15, б), характеристика сме-
щается из точки А в точку А',
производительность насоса при этом
уменьшается, а мощность, потреб-
ляемая насосом, увеличивается.
При регулировании изменением
частоты вращения рабочего колеса
происходит смещение характеристи-
ки насоса (рис. 2.15, в) вверх,
если П2>П), или вниз, если пз<пг,
точки совместной работы насоса и
сети определяются точками пересе-
чения полученных новых характерис-
тик насоса с характеристикой сети.
Осевые гидравлические машины.
Эти машины отличаются от центро-
бежных тем, что движение потока
жидкости у них направлено вдоль
оси рабочего колеса. Для уменьше-
ния явления закручивания потока
жидкости за рабочим колесом у осе-
вых гидромашин применяют спрям-
ляющие аппараты, устанавливаемые
на выходе потока из рабочего колеса.
На рис. 2.16, а показана схема
осевого насоса, в корпусе 1 которого
вращается рабочее колесо 2, имею-
щее в центральной части обтекатель
4 для снижения потерь энергии
жидкости при входе. За рабочим
колесом установлены лопасти не-
подвижного спрямляющего аппарата
3.
Из треугольников скоростей (см.
рис. 2.16, б) видно, что окружные ско-
рости при входе и выходе равны,
тогда статический напор жидкости в
рабочем колесе повышается только
за счет изменения скорости отно-
Рис. 2.15. Характеристики насоса:
а — совместная работа насоса и сети (// Q - зависимость напора насоса от расхода, Нс—Q—харак-
теристики сети); б — регулирование дросселированием; в~ регулирование изменением частоты вра-
щения
2 Зак. 443
33
Рис. 2.16. Осевой насос:
а — схема; 6 — треугольники скоростей движения
жидкости
Рис. 2.17. Схемы вентиляторов:
в — центробежный; б — осевой; в — поток при различных углах атаки; г — холодильника теплово-
за 2ТЭ116 и характеристики вентиляторов при последовательном (д\ и параллельном (е) включениях
34
сительного движения, т. е. gH„ =
=(Wi — Wl) /2. С целью регулирова-
ния мощности осевых гидромашин
лопасти рабочего колеса или направ-
ляющего аппарата могут выполнять-
ся поворотными, что обеспечивает
изменение производительности ма-
шины в широком диапазоне.
Рабочие колеса осевых насосов
характеризуются высокой быстро-
ходностью и имеют в отличие от
центробежных колес широкие лопас-
ти и малые значения отношения диа-
метра выхода к диаметру входа,
которые находятся в пределах 0,8—
1,0 (у центробежных колес это
отношение в диапазоне 1,5—3). В
связи с этим осевые насосы способ-
ны создать большие расходы при
сравнительно невысоких значениях
напоров.
Центробежные и осевые вентиля-
торы. Вентиляторы — это гидравли-
ческие машины для перемещения
воздуха. К кожуху 1 центробежного
вентилятора (рис. 2.17, а) по всасы-
вающему патрубку 2 через лопаст-
ной направляющий аппарат 3 воздух
подводится к рабочему колесу 4,
имеющему простые, непрофилиро-
ванные лопасти 5, загнутые в сто-
рону вращения. При работе колеса
создается разрежение и воздух,
поступающий из всасывающего пат-
рубка, изменяет направление движе-
ния при входе в рабочее колесо на
90°, захватывается лопастями, по-
лучает приращение давления и по-
кидает полость вентилятора. Давле-
ние, развиваемое вентилятором,
характеризуется коэффициентом
давления p = p/pUi (где р — плот-
ность воздуха). Коэффициент давле-
ния у различных центробежных
вентиляторов находится в диапазоне
0,5—1,5 и зависит от числа и формы
лопастей.
Для осевых вентиляторов р<0,5.
Параметры работы центробежных и
осевых вентиляторов описываются
такими же уравнениями, как и для
центробежных и осевых насосов, в
связи с одинаковым принципом дей-
ствия.
2*
Центробежные вентиляторы с ло-
пастями, загнутыми по направлению
движения (см. рис. 2.17, а), создают
больший напор и расход воздуха,
чем такие же вентиляторы с другими
формами лопастей. Центробежные
вентиляторы широко используются
на тепловозах для подачи воздуха,
охлаждающего тяговые электричес-
кие машины и аппараты.
Осевые вентиляторы (рис. 2.17, б)
имеют простое устройство: к бараба-
ну 1 прикреплены лопасти 2, вра-
щающиеся внутри воздуховода 3,
играющего роль кожуха. Воздух при
проходе рабочего колеса не изменяет
направления движения; поток в пре-
делах рабочего колеса имеет слож-
ный пространственный характер;
скорости и давления значительно
изменяются по длине лопастей. По-
этому лопастям рабочего колеса при-
дают специальную форму и профиль
с целью получения наибольшего
эффекта при их использовании, т. е.
чтобы гидравлические сопротивле-
ния, которые зависят от формы и
размеров лопасти, были бы возможно
меньшими.
Контур профиля (на рис. 2.17, в
показана развертка части рабочего
колеса) очерчивается плавными кри-
выми; с целью уменьшения потерь
энергии потока входная кромка вы-
полняется утолщенной и закруглен-
ной, а выходная кромка должна быть
по возможности тонкой (толщина ее
определяется условиями прочности).
На характер работы лопастного
колеса существенное влияние оказы-
вает так называемый угол атаки,
измеряемый как угол между каса-
тельной к средней линии лопасти на
входе и направлением набегающего
потока (см. рис. 2.17, в). Угол атаки
может быть положительным (-Н),
если поток набегает с рабочей сторо-
ны лопасти, и отрицательным (— t),
если поток направлен к тыльной (не-
рабочей) стороне лопасти.
Угол атаки изменяется при измене-
нии режима работы (например, рас-
хода) рабочего колеса. При больших
положительных углах атаки проис-
35
ходит отрыв потока преимущественно
с тыльной стороны лопасти, при боль-
ших отрицательных углах атаки по-
является вихревая зона с рабочей
стороны лопасти. Наличие вихревых
зон приводит к значительным поте-
рям энергии потока. Оптимальное
значение углов атаки зависит от из-
гиба профилей и находится в диапа-
зоне i=( —4-г+4°С).
Осевые вентиляторы способны
создавать большие расходы, в связи
с этим они применяются на тепло-
возах для пропуска большого коли-
чества воздуха через охлаждающие
устройства дизелей и в системах
централизованного воздухоснабже-
ния для охлаждения тяговых элект-
рических машин. К.п.д. осевых венти-
ляторов, имеющих пространственные
(закрученные) лопасти, на 15—2Q %
выше к.п.д. вентиляторов с непрофи-
лированными и незакрученными ло-
пастями и составляет 0,7—0,85. На
величину к.п.д. влияет также зазор Д
(см. рис. 2.17, б) между торцами
лопастей и внутренними стенками,
величина которого составляет около
1 % длины лопасти.
Параллельная и последовательная
работа вентиляторов. В охлаждаю-
щих устройствах ряда тепловозов
применяется несколько совместно
работающих вентиляторов, что дает
возможность осуществлять измене-
ние расхода воздуха путем их отклю-
чения. На рис. 2.17, г представ-
лена схема расположения четырех
мотор-вентиляторов 2 тепловоза
2ТЭ116 в холодильной камере /;
лопасти 4 присоединены к ротору 3
асинхронного электродвигателя.
Абсциссы характеристики 1 (рис.
2.17, е), представляющей зависи-
мость напора, развиваемого одним
вентилятором от расхода воздуха,
в случае параллельной работы вен-
тиляторов суммируются; рабочая
точка находится на пересечении
суммарной характеристики 2 венти-
ляторов с характеристикой сети 3
(воздушного тракта холодильной ка-
меры). Общая мощность совместно
работающих вентиляторов равна
сумме мощностей каждого вентиля-
тора.
При последовательной работе вен-
тиляторов суммируются ординаты
характеристик 1 (рис. 2.17, д); рабо-
чей точкой является пересечение
суммарной характеристики 2 с харак-
теристикой сети 3.
Регулирование работы вентилято-
ров осуществляют двумя способами:
изменением характеристик вентиля-
торов и характеристик сети. В пер-
вом случае изменяют частоту враще-
ния рабочего колеса вентилятора
или угол установки лопастей (на
тепловозах 2ТЭ121 применены по-
воротно-лопастные рабочие колеса
вентиляторов). Во втором случае
изменяют сопротивление сети с по-
мощью жалюзи, заслонок, шиберов,
однако этот способ менее экономи-
чен.
Г л а в a 3. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
И ТЕОРИИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
3.1. ТЕХНИЧЕСКАЯ
ТЕРМОДИНАМИКА
Термодинамика — это отрасль фи-
зики, изучающая законы преобразо-
вания энергии и процессы перехода
ее из одних форм в другие. Техни-
ческая термодинамика имеет своим
предметом технические приложения
основных принципов термодинамики
к процессам преобразования тепло-
вой энергии в механическую работу
или, наоборот, работы в тепловую
энергию в так называемых тепловых
машинах — двигателях, турбинах,
компрессорах и т. д. Эта наука
содержит теоретические основы ра-
боты тепловых машин и позволяет
оценивать эффективность их рабочих
процессов.
Рабочее тело и параметры его
состояния. Работа тепловых машин
осуществляется с использованием
рабочих веществ — теплоносителей,
которые называются рабочими тела-
ми. В качестве рабочих тел исполь-
зуются, как правило, вещества в га-
зообразном (парообразном) состоя-
нии. Газы и пары под воздействием
внешних условий (температуры и
давления) допускают значительные
изменения своего объема и поэтому
могут совершать при расширении
или сжатии существенно большую
работу, чем жидкие и твердые тела,
которые практически несжимаемы.
Количество рабочего тела как количество
вещества принято измерять в молях. Моль —
это количество вещества, число молекул (или
атомов) которого равно количеству атомов в
0,012 кг (12 г) углерода -12. В термодинамике
обычно используется более крупная единица—
киломоль (1 кмоль=10 м3 моль). Киломоль
(килограмм-молекула) — это количество ве-
щества, масса которого в килограммах
численно равна его относительному молеку-
лярному весу. С другой стороны, масса
одного киломоля вещества называется
молярной массой (кг/кмоль) этого вещества р..
Молярная масса водорода 2 кг/кмоль,
кислорода 32 кг/кмоль и т. д.
Если рабочее тело будет находить-
ся в среде, имеющей постоянные
давление и температуру, то по исте-
чении достаточного времени в рабо-
чем теле по всему его объему уста-
новятся такие же по величине давле-
ние и температура. В дальнейшем
состояние рабочего тела будет неиз-
менным, пока не изменятся пара-
метры внешней среды. Рабочее тело в
этом случае находится в термодина-
мическом равновесии с окружающей
его средой. При неравновесном со-
стоянии параметры рабочего тела по
объему неодинаковы и нельзя гово-
рить в целом об его давлении и тем-
пературе.
Таким образом, физическое состоя-
ние рабочего тела в термодинамичес-
ком равновесии определяется тремя
термодинамическими параметрами
состояния: температурой, давлением
и удельным объемом (или плот-
ностью). Необходимо отметить, что
такими параметрами являются не
просто температура и давление, а
именно абсолютные их величины.
Абсолютная температура Т служит пара-
метром теплового состояния тела, она изме-
ряется в кельвинах (К). Разность темпе-
ратур может выражаться в кельвинах или в
градусах Цельсия (IK — 1 °C). Абсолютное
давление было определено в п. 2.1 [см.
формулу (2.11)]. Там же было дано и понятие
удельного объема [см. формулу (2.4)].
Зависимость типа f(p, v, Т) = 0, свя-
зывающая параметры состояния, на-
зывается в термодинамике уравне-
нием состояния.
Идеальный газ. Реальные рабочие
тела тепловых машин имеют слож-
ный и часто переменный состав,
что усложняет анализ их рабочих
процессов. Для возможности изуче-
ния общих принципов поведения ра-
37
бочих тел в различных процессах в
физике введено понятие идеального
газа. Идеальный газ в отличие от
реальных характерен отсутствием
сил взаимодействия между молеку-
лами. Сами же молекулы считаются
не занимающими объема.
Основные законы идеальных газов.
Эти законы (или, как их иногда на-
зывают в физике, газовые законы)
установлены трудами ряда крупных
ученых и поэтому связаны с их
именами. Еще во второй половине
XVII века работы англичанина Ро-
берта Бойля (1661 г.) и независимо
от него проведенные более подроб-
ные исследования Эдма Мариотта
(1676 г.) во Франции выяснили одну
из важных закономерностей, прису-
щих газам. Более чем через сто лет
французы Жак Шарль (1787 г.),
Жозеф Луи Гей-Люссак (1802 г.) и
итальянец Амедео Авогадро (1802 г.)
получили ряд важных результатов,
которые сложились в систему газо-
вых законов — простых аналитиче-
ских выражений, определяющих свой-
ства и поведение идеальных газов.
Напомним их вкратце, имея в виду,
что часто поведение реальных газов
(при сравнительно низких давлениях
и достаточно высоких температурах)
может определяться этими законо-
мерностями идеального газа.
Закон Бойля — Мариотта. При неизмен-
ной температуре удельные объемы газа
обратно пропорциональны его давлениям,
или, иными словами, произведение давле-
ния на удельный объем есть величина для
данного газа постоянная (при постоянной
температуре). Таким образом, p\V\=ptU2,
или при T = const
po = const. (3.1)
Закон Гей-Люссака. При постоянном дав-
лении удельные объемы идеального газа прямо
пропорциональны его абсолютным температу-
рам: V\/V2=T\/Ti, или при p = const
u/7’ = const. (3.2)
Закон Шарля. При постоянном удельном
объеме абсолютные давления идеального газа
прямо пропорциональны его абсолютным тем-
пературам: Pl/p2 = Ti/T2, или при y=const
p/T = const. (3.3)
Закон Авогадро. Все идеальные газы в
единице объема при одинаковых давлениях
38
и температурах содержат одинаковое число
молекул.
Этот закон в отличие от предыдущих
по существу является лишь гипотезой, т. е.
предположением, ибо доказать его непосред-
ственно нельзя — ведь невозможно пересчи-
тать молекулы. Но целый ряд косвенных
факторов дает этому закону убедительное
подтверждение. Из закона Авогадро вытекает
важное следствие: объем одного и того же
количества вещества любого идеального газа
(например, киломоля) должен быть одинаков,
т. е. 1/ц = ро = const.
При нормальных условиях (/о = 0°С и
ро = 0,1013 МПа) 1/ио = рУо = 22,4135 м3/кмоль,
или, приближенно, 1^0 = 22,4 м3/кмоль. Отсю-
да для любого идеального газа при нормаль-
ных физических условиях оо = 22,4/р и
ро = р/22,4.
Объединенный газовый закон. Этот закон
может быть получен из совместного рассмот-
рения законов Бойля—Мариотта и Гей-Люсса-
ка. Для перехода 1 кг газа из состояния
Pi, Ц|, Г1 в состояние р2, 02, Т2 оказывается
справедливым следующее соотношение между
этими параметрами: piViT2 = p2V2Ti или
po/7’ = const. (3.4)
Эту постоянную величину для 1 кг газа
называют удельной газовой постоянной и
обозначают R. Размерность R— Дж/(кг-К).
Из размерности следует физический смысл
этой величины — это работа, которую со-
вершает 1 кг газа при его расширении
или сжатии, вызванном изменением его
температуры на один градус (1 К) при по-
стоянном давлении. Для каждого идеального
газа удельная газовая постоянная имеет
свое значение.
С использованием величины R уравнение
(3.4) можно представить в следующем виде:
pv=RT. (3.5)
Известное из физики уравнение объеди-
ненного газового закона в виде условия
(3.5) называют в термодинамике уравнением
состояния идеального газа, так как оно
представляет собой связь между всеми тремя
термодинамическими параметрами состояния
для одного килограмма идеального газа.
Уравнение (3.5) также называют уравнением
Клапейрона, по имени Бенуа Эмиля Клапей-
рона — французского физика, впервые уста-
новившего эту зависимость.
Газовые законы лежат в основе
термодинамики. Их значение очень
велико, причем очень важны даже не
сами законы, а то, что они сущест-
вуют. Ведь аналогичных общих зако-
нов нет ни для жидкостей, ни для
твердых тел. Наличие же сходства
поведения у различных газов озна-
чает, что всем газам свойственно
что-то принципиальное, отличающее
их от жидкостей и твердых тел.
Свойства жидкостей и твердых тел
зависят от типа частиц, из которых
они состоят, и сил взаимодействия
между ними. В газах же расстояния
между молекулами настолько велики
по сравнению с размерами самих
молекул, что силы взаимодействия
между ними почти не проявляются.
Следовательно, свойства газов мало
зависят от свойств их молекул и все
газы в обычных условиях ведут себя
поэтому практически одинаково.
Для любой массы газа т уравне-
ние состояния имеет вид
pV=mRT, (3.6)
где V = vm — объем газа.
Уравнение состояния в любом виде
дает возможность определить один
из параметров состояния газа по
известным значениям двух других.
В частности, уравнение можно ис-
пользовать для приведения объема V
газа в произвольных условиях (р, 7")
к нормальным физическим условиям
(Ро, То):
рТ0
V°~V1TT' (3-7)
Ро 1
Универсальная газовая постоян-
ная. Если умножить в уравнении
Клапейрона (3.5) обе части на мо-
лярную массу ц (кг/кмоль), как
предложил великий русский химик
Д. И. Менделеев, то можно полу-
чить уравнение состояния для одного
киломоля идеального газа, которое
называют уравнением Клапейрона-
Менделеева:
PV. = }iRT, (3.8)
где = м3/кмоль — объем одного
киломоля газа в данных условиях
(р и Г).
Величина = называется уни-
версальной газовой постоянной, ко-
торая имеет одно и то же значение
для всех идеальных газов. По па-
раметрам нормальных физических
условий (ро = О,1О13 МПа и То —
= 273,15 К) можно подсчитать зна-
чение 7?и = 8314,3 Дж/(кмоль-К).
Значения удельных газовых по-
стоянных для любых газов можно
определить, разделив универсальную
постоянную на молярную массу.
Уравнение состояния реального газа раз-
работано голландским физиком Ван дер Ва-
альсом (1873 г.) на основе уравнения Кла-
пейрона. Оно имеет вид
RT а
р = <3-9)
где а и b — постоянные коэффициенты, имею-
щие различные значения для разных газов.
Дробь a/v2 измеряется в единицах давле-
ния и характеризует силы взаимного при-
тяжения молекул реального газа. Коэффи-
циент b представляет собой величину удель-
ного объема реального газа при наиболь-
шем возможном сжатии, т. е. по существу
это собственный объем молекул единицы мас-
сы реального газа. Расчеты по уравнению
Ван дер Ваальса для реальных газов более
точны, но и значительно более сложны.
Опыт показывает, что с достаточной для
практических целей точностью для расчетов
рабочих процессов достаточно нагретых реаль-
ных газов в тепловых машинах можно
пользоваться уравнением Клапейрона.
Смеси газов. Рабочие тела боль-
шинства тепловых машин не являют-
ся однородными газами, а состоят из
нескольких различных газов. Даже
атмосферный воздух состоит, по
крайней мере, из трех составляющих:
азот, кислород, водяные пары.
Если смесь нескольких идеальных газов
занимает один общий объем V при темпера-
туре Т, то, очевидно, что каждый из газов,
составляющих смесь, занимает тот же объем
и имеет ту же температуру. Давления от-
дельных составляющих должны в сумме
быть равны давлению смеси, т. е.
Р = Р1+Р2 + - + Р, + - + Рп- (3.10)
Это выражение называется законом Даль-
тона, который установил, что давление смеси
газов равно сумме парциальных давлений
отдельных составляющих смеси. Парциальны-
ми давлениями р< называются давления,
которые имели бы составляющие, если каждая
составляющая в отдельности занимала бы
весь объем смеси К при ее температуре Т.
Закон Дальтона справедлив только для
идеальных газов. Иными словами, как каж-
дая составляющая, так и смесь в целом
должны подчиняться уравнению состояния
Клапейрона, а элементы смеси должны быть
химически инертны по отношению друг к другу.
Состав смеси газов может быть задан
различными способами: в абсолютных вели-
чинах масс trii, объемов и, или количеств
39
веществ (числа молей) Л4„ ее составляющих,
либо в относительных долях по массе или
объему.
Массовой долей g, называют отношение
массы т, составляющей смеси (то есть данного
газа) к массе смеси тсм:
gi = mi/me„. (3.11)
Очевидно, что сумма массовых долей
составляющих при таком определении равна
единице: gi+£г +•••+ g.+ ••+&.= 1-
Объемной долей называется отношение
приведенного объема составляющей смеси
vi к общему объему смеси усм:
г, = у:/усм. (3.12)
Под приведенным (парциальным) объемом
vi понимается объем газа, входящего в смесь,
при давлении р и температуре Т смеси.
Сумма приведенных объемов всех компонен-
тов смеси равна объему смеси, а сумма
объемных долей равна единице: Г|4-''г4- — ’+-
4-Г;4-... + гп=1.
Молярные доли смеси равны объемным,
т. е. Mi/M = r:.
Парциальные давление и объем состав-
ляющей смеси связаны между собой по
закону Бойля — Мариотта: р,Усм=рщ.
Таким образом, pi^pvi/v^^pr, — парци-
альное давление составляющей равно давле-
нию смеси, умноженному на объемную долю
соста вляющей.
К расчету поведения смеси однородных
газов можно применить уравнение состо-
ния идеального газа в обычной форме,
например для 1 кг pv<„ — Rc„T. Однако в этом
случае смесь надо рассматривать как ус-
ловный однородный газ массой 1 кг, в кото-
ром было бы то же количество вещества
(число молекул), как и в смеси.
При этом надо подразумевать, что смесь
имеет условную (усредненную) молярную мас-
су Цсм, а ее средняя удельная газовая по-
стоянная Лем =8314,3/цсм. Величина |ЛСм опре-
деляется по одному из выражений в зависи-
мости от способа задания состава смеси:
Рем = girl + цаг2 4~ - 4~ 4" ... 4" (3.13)
_____________________1______________
^см gi/Hi 4- g2/l12 + "- + s,7i1i4-...4-g„/M.„
(3.14)
С использованием понятия приведенной
молярной массы смеси можно получить соот-
ношения между массовыми и объемными
долями составляющих смеси:
И
= г,---------; г.
g.
Нем
н, '
(3.15)
Так как из закона Авогадро следует,
что при одинаковых р и Т плотности газов
пропорциональны их молярным массам, то
из выражения (3.15) получаем формулу для
определения плотности смеси:
Рем = Т1PI + <2р2 4- • • • 4- пр<4- • • • 4- ГпРп. (3.16)
Из определения удельной газовой постоян-
ной смеси и выражения (3.16) следует воз-
можность ее подсчета через значения Л,:
Лем — giR\ -j-giRz4" ••• + giRi4~ + gnRn- (3.17)
Некоторые понятия термодинамики. В
термодинамике предметом исследования яв-
ляются термодинамические процессы, под
которыми подразумеваются изменения со-
стояния рассматриваемого объекта (рабочего
тела, например) в результате обмена энергией
с внешней окружающей средой. Тело или груп-
па тел, состояние которых исследуется,
называется термодинамической системой.
Система, как уже отмечалось выше, может
находиться в состоянии равновесия с внеш-
ней средой, т. е. в равновесном состоянии.
Если под действием каких-либо внешних или
внутренних факторов система (рабочее тело)
выведена из равновесного состояния, то зна-
чения всех ее параметров состояния изме-
няются — произойдет термодинамический про-
цесс изменения состояния системы. Если внеш-
ние воздействия прекратятся, термодинами-
ческая система постепенно сама возвратится
в равновесное состояние.
Термодинамические процессы сами по
себе могут быть равновесными, протекающи-
ми столь медленно, что в каждый момент вре-
мени параметры системы имеют по всему ее
объему одинаковые значения, соответствую-
щие параметрам внешней среды, н неравно-
весными, протекающими быстро, когда значе-
ния давлений и температур по объему системы
не успевают выравняться и имеются раз-
личия между параметрами системы и среды.
Равновесный процесс можно представить
цепью последовательных (различных) равно-
весных состояний. Равновесные процессы яв-
ляются идеальными процессами. Происходя-
щие в реальных условиях термодинами-
ческие процессы являются неравновесными,
так как протекают с конечной скоростью и
всегда имеются конечные значения разнос-
тей температур и давлений системы и среды.
Однако во многих случаях степень неравно-
весности относительно невелика, и такие про-
цессы можно рассматривать как равновесные.
Равновесными с некоторыми оговорками мож-
но считать и рабочие процессы в двигателях
внутреннего сгорания.
Равновесный процесс, который может быть
осуществлен в обратном направлении через
тот же ряд последовательных равновесных
состояний прямого процесса, называют обра-
тимым процессом. Необратимые процессы
характерны тем, что рабочее тело невозмож-
но вернуть в исходное состояние без внеш-
него дополнительного воздействия. Например,
процесс нагревания одного рабочего тела
за счет тепла другого тела с более высокой
температурой — процесс необратимый, так как
передача тепла в обратном направлении
от меньшей температуры к большей принци-
пиально невозможна без дополнительной
40
затраты энергии (работы). Следовательно,
реальные процессы ие только Неравновесны,
но и необратимы. Однако изучение равно-
весных обратимых процессов, являющихся
идеализацией реальных процессов, дает воз-
можность выявить основные закономерности
последних, получить сравнительно простые
выражения для их описания, облегчить их
анализ и исследования. Неточности, связан-
ные с таким подходом, обычно компенси-
руются введением специальных поправок.
Внутренняя энергия системы (рабочего
тела) складывается из кинетической энергии
движения молекул и потенциальной энергии
их взаимодействия. Мерой кинетический
энергии тепловых движений молекул являет-
ся температура тела. Потенциальная со-
ставляющая внутренней энергии зависит и от
температуры, и от удельного объема тела, так
как взаимодействие молекул зависит От
расстояний между ними. Таким образом,
величина полной внутренней энергии тела U,
измеряемой в джоулях, определяется двумя
параметрами его состояния: Т и v.
В термодинамике исследуется обычно ие
абсолютная величина внутренней энергии те
ла, а ее изменения (увеличение или умень-
шение) в термодинамических процессах. Эти
изменения однозначно определяются началь-
ными и конечными значениями параметров
состояния тела и не зависят от вида и
характера процесса, в котором имеют место.
Удельная внутренняя энергия тела, отнесен-
ная к 1 кг его массы, обозначается и, ее
размерность Дж/кг.
Изменения внутренней энергии системы мо-
гут проявляться в различных формах: в
виде тепловой энергии или механической ра-
боты.
Часть внутренней энергии тела в тер-
модинамическом процессе может передавать-
ся от рабочего тела (или восприниматься
им) в виде определенных количеств тепла Q.
Необходимым условием передачи энергии в
виде теплоты является наличие разности
температуры тела и среды. Следовательно,
теплота Q (Дж) может подводиться к телу
(положительная энергия) и вызывать увели-
чение его внутренней энергии, или, наоборот,
отводиться от него (отрицательная энергия)
и уменьшать его внутреннюю энергию. Удель-
ный подвод или отвод тепла обозначают q
(Дж/кг).
Обмен энергии в виде тепла может иметь
место без видимого движения тела, изме-
нения его объема. Передача энергии в виде
механической работы обязательно связана с
видимым перемещением тела или его Частей,
с изменением его объема. Работа L рабочего
тела равна произведению давления в системе
р на изменение объема тела AV, т. е. L—pixV.
Если к телу подводится энергия в виде
затраченной на изменение его объема работы,
работу считают отрицательной. Если тело
отдает энергию, совершая механическую рабо-
ту, ее считают положительной.
Соотношения между теплом и работой в
термодинамических процессах зависят от ха-
рактера процесса, в котором они участвуют.
Таким образом, тепло и работа в отличие от
внутренней энергии являются функциями про-
цесса, а не состояния рабочего тела.
Для более полной характеристики термо-
динамических процессов используется понятие
энтальпии: l — U-\-pV (Дж), или в удельной
форме i=u + pv (Дж/кг). Энтальпия склады-
вается по определению из внутренней энергии
тела и механической работы, затраченной на
то, чтобы ввести тело с объемом V в среду
с давлением р.
Энтальпия тела определяется параметрами
состояния и является функцией состояния
Тела. Ее изменение в термодинамическом про-
цессе зависит только от начальных н конечных
значений параметров состояния и не зависит
от характера процесса.
Первый закон термодинамики ус-
танавливает количественную связь
между внутренней энергией системы
U, тепловой энергией Q и механи-
ческой работой L. Он является част-
ным случаем общего закона сохра-
нения энергии, согласно которому
энергия не создается вновь и не
исчезает, а лишь переходит из одной
формы в другую. Первый закон
термодинамики устанавливает зако-
номерность взаимного преобразова-
ния теплоты и работы в системе, а
именно тепловая энергия Q, под-
веденная к телу, расходуется только
на изменение внутренней энергии
тела и на совершение внешней рабо-
ты L:
Q = ^U + L, (3.18)
или в удельных величинах
q = \u + l, (3.19)
где А(7 и Ли — соответственно изменения
полной и удельной внутренней энергии
тела при подводе (отводе) и затрате
или совершении работы; / — удельная
работа.
Аналитические выражения первого
закона термодинамики устанавли-
вают принцип эквивалентности теп-
лоты и работы. Из него следует,
что, если вся подведенная к телу
теплота отводится в виде работы
(или наоборот), внутренняя энергия
тела не меняется.
Теплоемкость газов. Под теплоем-
костью тела в физике понимается
количество теплоты, которое необхо-
41
димо подвести к телу, чтобы поднять
его температуру на один градус.
Удельная теплоемкость определя-
ется по отношению к единице ко-
личества вещества, которое может
измеряться по-разному.
Используются следующие удель-
ные значения теплоемкости: удель-
ная массовая с Дж/(кг-К), удель-
ная объемная с' Дж/(м3-К), удель-
ная молярная р,с Дж/(кмоль-К).
Эти величины взаимосвязаны меж-
ду собой:
= сц = 22,4 с , (3.20)
где Vo — удельный объем при нормаль-
ных физических условиях; 22,4 — объем
одного киломоля в нормальных усло-
виях, м3.
В термодинамике почти всегда ис-
пользуются понятия именно удельной
теплоемкости, и поэтому принято на-
зывать ее просто теплоемкостью (это
и подразумевается далее в данной
книге, при этом оговаривается, какая
именно удельная теплоемкость имеет-
ся в виду).
Величина теплоемкости идеальных
газов зависит от температуры, при
которой проходит процесс теплооб-
мена, и увеличивается с ее повыше-
нием (у реальных газов теплоем-
кость зависит и от давления). По-
этому различают понятия средней
теплоемкости ст\ч. для какого-то
интервала температур (Л, t2 или
Т\, Т2) и истинной теплоемкости с
для данной температуры (/ или Т).
Для определения истинных тепло-
емкостей используются эмпирические
формулы типа c = a + bt-\-dt2..., где
a, b, d — постоянные коэффициенты
(различные для каждого газа). В
таких формулах часто ограничива-
ются подсчетом лишь двух слагае-
мых.
Средняя теплоемкость определяет-
ся экспериментально по количеству
тепла q, подведенного к телу:
cmI2 = 7-V- (3.21)
l2 I,
Значения средних теплоемкостей,
обычно для интервалов температур
(0°, /), приводятся в справочных
таблицах. Если известны значения
средних теплоемкостей cmOi и сто2
соответственно в интервалах темпе-
ратур (0°, fi) и (0°, t2), то среднюю
теплоемкость в интервале температур
(С, t2) можно подсчитать по формуле
(3.21). Для этого определим коли-
чество теплоты qi2, необходимое для
нагревания 1 кг газа от температуры
t\ до температуры t2. Сначала полу-
чим количества теплоты q0\ и q02,.
необходимые для нагревания до тем-
ператур /1 и t2 от нулевой температу-
ры (0 °C):
qo\ = cmo\ti и qo2 = cmo2t2.
Тогда
q\2 — qoi — qo \ — Cmozh — (3.22)
Подставив значение gi2 в формулу
(3.21), получим значение средней
теплоемкости cm i2.
По аналогии с формулой (3.22)
можно получить более общие форму-
лы для расчета количества теплоты
Q12 на нагревание определенного
количества газа (т, V или Л1) в
диапазоне температур от t\ до t2:
Ql2 = fncmi2(i2— /]) = ИСт 12(^2— Л) =
= Mp,cmi2(t2 — /1). (3.23)
Теплоемкости газов при постоян-
ном давлении ср (в изобарном про-
цессе) и при постоянном объеме си
(в изохорном процессе) имеют в тер-
модинамике особое значение, по-
скольку такие процессы часто явля-
ются предметом ее исследования. Эти
теплоемкости часто называют изо-
барной и изохорной — в соответст-
вии с наименованием процесса.
Каждая из этих теплоемкостей мо-
жет быть массовой (истинной ср и
cv или средней срт и сит), объемной
(соответственно с'р, c'v и с'рт, c'vm) и
мольной (р.ср, pcv и рсрт, pcvm).
Выбор необходимой теплоемкости
осуществляется в соответствии с
конкретными условиями.
При изохорном нагревании газа
его объем не изменяется (u=const).
42
Следовательно, газ при этом не со-
вершает механической работы, свя-
занной с его расширением и прео-
долением сопротивления внешних
сил. При изобарном процессе (р =
= const) нагревание неизбежно при-
водит к расширению газа, увеличе-
нию его объема, связанному с со-
вершением механической работы
против внешних сил. Поэтому оче-
видно, что для нагревания одного и
того же количества газа до одной
и той же температуры в одинаковых
условиях при изобарном процессе
надо затратить больше теплоты, чем
при изохорном. Следовательно,
изобарная теплоемкость газа выше
изохорной теплоемкости.
Значения этих теплоемкостей свя-
заны между собой. Немецкий врач
Юлиус Роберт Майер установил в
1842 г., что хотя ср и cv зависят от
природы газа, разность между ними
почти одинакова для всех газов.
Она равна работе, которую совер-
шает газ при расширении за счет
нагревания на один градус, т. е.
удельной газовой постоянной R. Та-
ким образом,
сР — cv = R. (3.24)
Это выражение называют уравне-
нием Майера. Если умножить обе
части уравнения на молярную массу
р,, получим
уср —- р.с0 — ц/? = Rp =
= 8314 Дж/(кмоль-К), или
цСр—рс„ = 8314 Дж/(кмоль-К).(3.25)
Поскольку ср> си, их отношение
Cp/cp — k больше единицы. Коэф-
фициент k для идеальных газов яв-
ляется постоянной величиной, зави-
сящей лишь от природы газа. Для
одноатомных газов &= 1,67, для
двухатомных — k = 1,41.
Теплоемкость смеси газов равна
сумме произведений теплоемкостей
составляющих на их доли, а именно
Сем = Cig,-f-Csg's-f-.•• + +(3 26)
+ c„g„ ' ’
или
Сем — с t г 1 -(- СгГ2 + • • + с'г, -(-... -(- (з 27)
-{- СпГп-
Основные термодинамические про-
цессы. Изменения состояния идеаль-
ного газа, связанные с подводом
или отводом теплоты или совершени-
ем работы, сводятся к изменению зна-
чений его параметров состояния. В
большом числе возможных процессов
изменения параметров, связанных
уравнением состояния pv = RT, мож-
но выделить несколько основных, в
которых какой-либо один из парамет-
ров состояния не меняет своего зна-
чения. В первую очередь можно ука-
зать на процесс при постоянном
объеме (u = const) —изохорный,
процесс при постоянном давлении
(p = const) —изобарный, процесс
при постоянной температуре (Т =
— const) —изотермический, про-
цесс без теплообмена с внешней
средой (q = 0)—адиабатный, про-
цесс при постоянной теплоемкости
(c = const) —политропный.
Проведем анализ основных осо-
бенностей этих процессов. Предва-
рительно отметим следующее. Так
как произвольное состояние газа
определяется тремя параметрами (р,
и, Т), это состояние можно пред-
ставить точкой в трехмерном прост-
ранстве с осями координат (р, и и Т).
Чаще, однако, используют более про-
стое графическое представление тер-
модинамических состояний и про-
цессов — на плоскости, обычно в ко-
ординатах (р и и).
Такой график процесса называют
pv-диаграммой. Она позволяет оце-
нить работу, совершаемую в про-
цессе.
С другой стороны, для оценки тер-
модинамических процессов использу-
ется еще один комбинированный па-
раметр состояния, называемый энт-
ропией S. В термодинамике имеет
значение не само абсолютное зна-
чение энтропии, а ее изменение в
процессе (так же как и изменение
внутренней энергии). Изменение
энтропии AS определяется отноше-
нием количества тепла Q, подведен-
ного к телу (или отведенного от не-
го), к средней температуре тела Тт.
Удельное изменение энтропии As
43
подсчитывается по удельному коли-
честву тепла q:
\S = Q/Tm, \s = q/Tm. (3.28)
Для подсчета изменения удель-
ной энтропии «2 —Si используется
следующее выражение:
Г2 v2
As = S2 — Sj == Cv ln-zr— + /? In-.
' 1 V1
(3.29)
С использованием энтропии стро-
ятся так называемые энтропийные
диаграммы термодинамических про-
цессов, в которых по оси абсцисс
откладывается энтропия s, а по оси
ординат — или абсолютная темпера-
тура Т (Ts-диаграмма) или удельная
энтальпия i (is-диаграмма).
Более наглядны в наших случаях
изображения процессов в коорди-
натах (Т, $), которые позволяют
судить о степени использования теп-
лоты в рассматриваемых процессах.
Анализ каждого из основных про-
цессов проведем в следующей по-
следовательности: рассмотрим урав-
нения и графики процесса в коор-
динатах (р, v) и (Т, $), установим
соотношения между изменяющимися
в процессе параметрами, получим
формулы для подсчета работы, коли-
чества теплоты и изменения внут-
ренней энергии газа.
Основные результаты этого иссле-
дования сведены в табл. 3.1.
Изохорный процесс (рис. 3.1) про-
текает при нагревании или охлаж-
дении газа в замкнутом сосуде, т. е.
при неизменном объеме. Его урав-
нение u = const. В координатах (р, v)
этот процесс изображается верти-
кальной линией — изохорой 1—2
(рис. 3.1, а).
Уравнения состояния для точек 1 и
2 соответственно будут piVy = R7\ и
p2V\ = RTi. Разделив одно на другое,
получаем соотношение между пара-
метрами состояния этих точек
Pi/P2 = 7’1/7,2, являющееся выраже-
нием закона Шарля, рассмотренного
выше: в изохорном процессе давле-
ние газа изменяется прямо пропор-
ционально его температуре.
Таблица 3.1. Соотношения между параметрами состояния
в основных термодинамических процессах
Процесс Уравнения процесса Соотношения между переменными параметрами Механическая работа Теплота
Изохорный о = const Pl _ Р2 Ту Т2 1 = 0 q=c»(T2 — Ti)
Изобарный р — const 0| 1>2 Ту г2 l = p(v2— Vy) = = R(T2—Ty) <7 = cp(T2 — T1)
Изотерми- ческий Г=con st (pv=const) Р|0| =р2У2 /=/?TirA= P2 = RTin^ Vi q=i
Адиабатный As=O (<7==°) (ргг=con st) PlVl=p2V2 TyV\~'= T2v2~' 11 г №^5 1 । 1 1 TO to a К» q = 0
Политроп- ный po" = const ptv1=p2vi Tyv"-' = T2vn-' f Р1Ш—P2P2 n — 1 _R<Ty — T2) n— 1 ^с’П-^т2-т^
44
При подводе теплоты к газу дав-
ление и температура газа повышают-
ся (от точки 1 к точке 2), при отводе
теплоты — понижаются (от точки 2 к
точке 1).
В изохорном процессе, как это
следует из его определения, работа,
связанная с изменением объема,
равна нулю (/ = 0). Иными словами,
в процессе работа не совершается.
Поэтому вся подведенная теплота
идет на повышение внутренней энер«
гии, т. е.
qv=^uv=cvm(T2—Ti). (3.30)
Из уравнения (3.29), так как в
изохорном процессе ln(u2/vi) = lnl =*=
= 0, следует, что изменение энтропии
в процессе
\sv — cvm\r\{T2/T\). (3.31)
Это выражение представляет собой
уравнение процесса в переменных (Г,
s). Графически процесс в координатах
(Г, s) показан на рис. 3.1, б. Пло-
щадь под кривой 1—2, так как по
определению (3.28) Tm&s^q, равна
количеству тепла, участвующему в
процессе.
Изобарный процесс (рис. 3.2) про-
текает при постоянном давлении,
например при нагревании или охлаж-
дении газа в цилиндре, на поршень
которого действует постоянная по
величине сила. Уравнение процесса
р = const. В координатах (р, о) гра-
фиком процесса (см. рис. 3.2, а)
является прямая 1—2, параллельная
оси абсцисс, называемая изобарой.
При подводе тепла температура и
объем газа увеличиваются (процесс
идет от точки 1 к точке 2), при отводе
тепла — уменьшаются (от точки 2 к
точке /).
Уравнения состояния для этих то-
чек соответственно выглядят так:
piV\ — RT] и ptV2 — RT2. Разделив
первое на второе, получаем соотно-
шение параметров в процессе
v\/v2 = T\/T2, являющееся выраже-
нием закона Гей-Люссака, рассмот-
ренного ранее: в изобарном процессе
удельные объемы газа изменяются
прямо пропорционально его темпера-
туре.
Изменение энтропии в процессе
определяется по уравнению (3.29),
из которого с учетом закона Гей-
Люссака и уравнения Майера (3.24)
следует
Asp = cpmln(7'2/7’1). (3.32)
В координатах Т, s график про-
цесса показан на рис. 3.2, б.
Сравнение выражений (3.32) и
(3.31) показывает, что одному и тому
же изменению температур (от Т\ до
Тг) в изобарном процессе соот-
ветствует большее изменение энтро-
пии (так как ср> си). Следовательно,
в координатах Т, s изохора круче
изобары.
Количество теплоты, подведенной
в процессе при постоянном давле-
нии, составляет
qp^Cprntb-Ti). (3.33)
Работа расширения (или сжатия)
газа при постоянном давлении опре-
деляется, как в любом процессе,
площадью под графиком процесса
на ри-диаграмме. В данном случае
1Р=р(у2— °i)- Изменение внутренней
Рис. 3.1. Изохорный процесс (t»=const) Рис. 3.2. Изобарный процесс (p=const)
45
энергии газа в процессе Аир =
— cvm(J2 — Т[).
Изотермический процесс (рис. 3.3)
протекает при неизменной темпера-
туре. Его уравнение 7’=const, или, по
закону Бойля — Мариотта, pv =
= const, на основе которого и уста-
навливается соотношение между па-
параметрами процесса v\lv2 — p2/p\'.
в изотермическом процессе давления
газов обратно пропорциональны их
объемам. Таким образом, в коорди-
натах р, v график процесса — изо-
терма—представляет собой равно-
бокую гиперболу (рис. 3.3, а). При
подводе теплоты газ расширяется и
совершает работу, при отводе тепло-
ты — сжимается.
Так как в изотермическом про-
цессе температура газа не меняется,
следовательно, не меняется и его
внутренняя энергия. В этом случае,
очевидно, что в соответствии с пер-
вым законом термодинамики вся под-
веденная теплота преобразуется в
механическую работу.
Изменение энтропии в процессе
можно получить из выражения
(3.29), если иметь в виду, что
ln(7’2/7’i) = lnl =0. Тогда
Asr=/?ln(v2/vi). (3.34)
В координатах Т, s (рис. 3.3, б)
график процесса 7’ = const представ-
ляет собой прямую линию, парал-
лельную оси абсцисс. Площадь
под этой линией T\s = q — по опре-
делению энтропии. Так как q = l, как
было показано выше, то получаем
формулы для количества теплоты и
механической работы:
Адиабатный процесс (рис. 3.4)
протекает без теплообмена газа с
внешней средой (д = 0). Для того
чтобы процесс изменения состояния
газа был адиабатным, его надо
проводить, например, в цилиндре с
поршнем, выполненных из материа-
лов, не проводящих тепло. В действи-
тельности абсолютно нетеплопровод-
ных материалов нет, но тем не менее
часто можно некоторые быстропро-
текающие процессы в тепловых ма-
шинах считать приближенно адиа-
батными. При большой скорости
процесса за малый промежуток вре-
мени, в течение которого он проте-
кает, рабочее тело не успевает отдать
или получить сколько-нибудь замет-
ные количества теплоты. Поэтому с
практической точностью теплообме-
ном в такой форме можно прене-
бречь.
Таким образом, при отсутствии
внешнего теплообмена в адиабатных
процессах расширение или сжатие
газа происходит только вследствие
изменения его внутренней энергии.
Так как в процессе q = 0, то в соот-
ветствии с уравнением (3.28) изме-
нения энтропии не происходит. Поэ-
тому уравнением процесса можно
считать выражение As = 0.
При расширении газа (уменьше-
нии внутренней энергии) его темпе-
ратура понижается, при сжатии
(увеличении внутренней энергии) по-
вышается.
Графиком этого процесса в коор-
динатах р, ц(рис. 3.4, а) служит
линия — адиабата, которая так же,
как изотерма, является гиперболой,
Рис. 3.3. Изотермический процесс (7" = const) Рис. 3.4. Адиабатный процесс (s=const)
46
Ее уравнение выглядит так:
pv* = const, (3.36)
где k = cp/cv — показатель адиабаты,
представляющий собой отношение
изобарной и изохорной теплоемкос-
тей. Из уравнения (3.36) вытека-
ют следующие соотношения между
параметрами процесса:
Р1/Р2 = (v2/vj)*; Т{/Т2 = (v2/vi)k~l;
fe-1
Ti/T2 = (pi/p2) k . (3.37)
Работа в адиабатном процессе,
равная изменению внутренней энер-
гии газа, определяется следующими
выражениями:
l=cvm(T,-T2) (3.38)
и
/ = -у^Т(Р!У1 — р2^)- (3.39)
В координатах Т, s (рис. 3.4, б)
графиком адиабатного процесса яв-
ляется прямая, параллельная оси
ординат: процесс проходит без изме-
нения энтропии.
Взаимное расположение графиков
основных термодинамических про-
цессов на pv- и Гх-диаграммах
характеризуется рис. 3.5, где показа-
ны рассмотренные пути перехода
состояния идеального газа из исход-
ной точки 1 (pi, ui, Т\, si) в точки 2
с расширением газа или отводом
теплоты (сплошные линии) и в точки
3 при сжатии или подводе теплоты
(пунктирные линии).
На ри-диаграмме (рис. 3.5, а)
необходимо обратить внимание на
взаимное расположение адиабаты и
изотермы. При адиабатном расшире-
нии (линия 1—2а) давление газа
падает быстрее, чем при изотерми-
ческом (линия 1—2т). Это объясня-
ется следующими причинами. Так
как адиабатный процесс проходит
без подвода теплоты, расширение
газа возможно лишь за счет умень-
шения его внутренней энергии, т. е.
снижения температуры. При изотер-
мическом процессе температура неиз-
менна (по определению) и расшире-
ние газа является следствием как
подвода теплоты, так и уменьшения
внутренней энергии. Следовательно,
температура газа при адиабатном
расширении (см. линию 1—2а на
рис. 3.5, б) ниже неизменной тем-
пературы Т\, при которой происходит
изотермическое расширение. А так
как давление газов по уравнению
состояния при одной и той же вели-
чине объема (например, и2 на рис.
3.5,а) пропорционально температу-
ре, то меньшей температуре адиабат-
ного расширения соответствует мень-
шее давление.
Таким образом, при расширении
адиабата 1—2а падает круче изо-
термы 1—2т.
При сжатии газа (влево от точки
1 на рис. 3.5, а) адиабата 1—За
также идет круче изотермы 1—Зт,
потому что при адиабатном сжатии
теплота не отводится и температура
газа в процессе 1—За (см. рис.
3.5,6) будет выше температуры Т\
процесса 1—Зт, а следовательно, и
давление газа при одном и том же
значении объема (и3 на рис. 3.5, а) в
адиабатном сжатии 1—З'а всегда
будет выше, чем в изотермическом
(1~3т).
На Гх-диаграмме (см. рис. 3.5, б)
следует рассмотреть взаимное распо-
ложение изохоры и изобары. При
подводе теплоты к газу его темпера-
тура от значения Т\ повысится до
Т2. Однако так как ср> cv, в изобар-
ном процессе (линия 1—26) для
этого потребуется большее количест-
во теплоты и, как следствие, при оди-
наковой средней температуре процес-
Рис. 3.5. Сравнение графиков идеальных тер-
модинамических процессов
47
ca 7’m=^_(7’l + 7’2) большее измене-
ние энтропии ($26—«1),ЧеМ ($2х — $1)
в изохорном процессе (линия 1—2х).
Таким образом, изохора круче изо-
термы и при одинаковом приращении
энтропии (например, $2х— si) темпе-
ратура газа в изохорном процессе
всегда будет выше, чем в изобарном.
Политропные процессы. Рассмотренные
выше и приведенные на рис. 3.5, а основные
процессы характерны тем, что в каждом из
них один из параметров состояния (р, v,
Ths) оставался неизменным. Очевидно,
что каждый из этих процессов поэтому
является частным случаем из неограничен-
ного множества возможных процессов, в кото-
рых изменяются все параметры состояния.
Ясно, например, что, если расширение газа,
т. е. переход газа из состояния с объемом
о, (точка 1) в состояние с большим объемом,
возможно по направлениям 1—26 (изобара),
I—2а (адиабата) и 1—2т (изотерма), то
эти направления не исчерпывают всех воз-
можных процессов расширения. Практически
вся полуплоскость вправо от изохоры Зх—1—
2х представляет собой поле, в котором
могут проходить процессы расширения газа из
состояния 1 (pi, 01). Такие процессы назы-
ваются политропными (их кривые показаны на
рис. 3.5, а штрнхпунктиром). Все они подчиня-
ются общему уравнению политропных про-
цессов:
pn" = const, (3.40)
в котором п — показатель политропы (так
называют кривые этих процессов), который
может принимать в разных процессах различ-
ные значения. Нетрудно показать, что уравне-
ния всех рассмотренных выше и показанных
на рис. 3.5, а процессов являются частными
случаями уравнения (3.40), отличающимися
друг от друга значениями показателя п.
Действительно, из уравнения (3.40), при
п = 0, так как р°=1, получаем р = const —
уравнение изобарного процесса; при п = 1
получаем рц = const — уравнение изотерми-
ческого процесса; при n — k — уравнение
адиабатного процесса. Если преобразовать
уравнение (3.40), извлекая из обеих его час-
1
тей корень rt-ной степени, к виду рлц = const,
нетрудно увидеть, что при п=±оо пока-
затель степени 1/п обращается в нуль, и,
так как р°=1, получаем n = const—уравне-
ние изохорного процесса.
Рассмотрим результаты этого анализа на
рц-диаграмме (см. рис. 3.5, а), сопоставляя
линии рассмотренных процессов расширения
с полученными значениями показателей
политропы. Тогда становится ясно, напри-
мер, что в участке плоскости pv вправо от
точки 1 между линиями 1—26 (п — 0) и 1—2т
(/1—1) могут протекать процессы изменения
состояния газа при расширении, если их
показатель политропы находится в диапазоне
от нуля до единицы (0<д<1). Между
кривыми 1~2т (д=1) и 1—2а (n = k) могут
протекать процессы расширения, характер-
ные тем, что ICrtCfe. Часть плоскости
между кривыми 1—2а (адиабата) и 1—2х
(изохора) является полем множества процес-
сов, в которых k<zn<z оо, а четверть плос-
кости вправо и вверх от изохоры /—Зх и изо-
бары 1—26 является полем множества поли-
тропных процессов расширения, в которых
показатель политропы имеет отрицательные
значения. Характерно, что графики этих про-
цессов будут не гиперболическими, а парабо-
лическими кривыми, так как уравнение
р/пл —const есть уравнение параболы.
Соотношения параметров состояния для
политропных процессов аналогичны соот-
ношениям параметров в адиабатном процес-
се — уравнениям (3.36). В них необходимо
только показатель адиабаты k заменить по-
казателем политропы п (см. также табл. 3.1).
аналогично по уравнению (3.39) с заменой
k на п определяется механическая работа
этих процессов.
Количество теплоты, участвующей в
политропных процессах, определяется выра-
жением
<7 = с„(Г2-Г!), (3.41)
где сп — теплоемкость в политропном про-
цессе. Ее величина определяется следующим
образом;
= <3-42)
Формула (3.42), как и все формулы для
политропных процессов, универсальна. Так,
при п = 0 получаем cn = cvk = cp.
Термодинамические циклы. При
рассмотрении основных термодина-
мических процессов было показано,
что в некоторых процессах может
совершаться в определенных усло-
виях при расширении газа механи-
ческая работа. Следовательно, воз-
можно использование таких процес-
сов в тепловых машинах, предназ-
наченных для преобразования тепло-
ты в работу. Однако для того
чтобы это преобразование в тепловой
машине могло происходить непре-
рывно (в течение определенного вре-
мени), необходимо, чтобы рабочее
тело после расширения было бы
возвращено в первоначальное, исход-
ное, состояние, т. е. сжато для
возможности последующего расши-
рения. Очевидно, что сжатие должно
48
осуществляться иным процессом, чем
расширение, чтобы затрата работы
на сжатие была бы меньше работы,
получаемой при расширении.
Таким образом, для непрерывного
преобразования теплоты в работу
необходимо использование рабочего
тела в замкнутой последовательности
процессов с периодическим возвра-
щением в первоначальное состояние.
Замкнутая совокупность термодина-
мических процессов такого типа
называется в термодинамике круго-
вым процессом, или термодинами-
ческим циклом.
На pv- и Тх-диаграммах круговой
процесс изображается замкнутой
кривой. Цикл, показанный на рис.
3.6, а, характерен тем, что работа
расширения /21 (площадь под кри-
вой 2—а—1) больше работы сжатия
/12 (площадь под кривой 1—б—2).
Поэтому в результате цикла будет
получена полезная механическая ра-
бота / = /21-/12 (площадь замкнуто-
го контура). На Ts-диаграмме
(рис. 3.6, б) площади под соответ-
ствующими кривыми характеризуют
распределение теплоты: qi2—под-
веденная теплота, ^21 — отведенная
теплота, q = qi2— ^21 — теплота, пре-
образованная в работу.
Так как в цикле изменения внут-
ренней энергии не происходит (ра-
бочее тело возвращается в исходное
состояние, поэтому Аи = 0), то ис-
пользованное тепло равно полезной
работе: q — l.
Рассмотренный цикл, осущест-
вляющийся на pv- и Тх-диаграммах
по часовой стрелке, называется пря-
мым циклом, или термодинамичес-
ким циклом тепловых двигателей,
преобразующих теплоту в работу.
По обратному циклу (против часо-
вой стрелки) работают холодильные
машины, затрачивающие работу на
отбор теплоты.
Эффективность теплового двигате-
ля будет тем выше, чем большая
часть подведенной теплоты преобра-
зуется в работу. Степень эффектив-
ности цикла оценивается его терми-
ческим к.п.д.:
О / Ч12 <721 , <721
ТЦ = = ----= ---------= 1---------
<712 <7|2 <712 <712
(3.43)
Из выражения (3.43) следуют два
вывода: при преобразовании тепла в
работу часть подведенного тепла
qzi должна неизбежно быть отдана
рабочим телом и не может быть
преобразована в работу; термичес-
кий к.п.д. цикла всегда меньше еди-
ницы, так как g2i> 0.
Цикл Карно. Французский инже-
нер Сади Карно в 1824 г. пред-
ложил и исследовал теоретический
идеальный цикл, эффективность ко-
торого должна быть наибольшей
возможной. Цикл Карно (рис. 3.7)
состоит из четырех процессов: двух
изотермических (ab и cd) и двух
адиабатных (Ьс и da). Такой цикл
можно было бы воспроизвести в теп-
ловой машине, в которой рабочее
тело (идеальный газ) находится
внутри рабочего цилиндра и отделе-
но от внешней среды поршнем.
Все элементы конструкции машины
(дно и стенки цилиндра, поршень)
должны быть абсолютно нетеплопро-
водными. Однако в изотермических
процессах дно цилиндра должно
попеременно сообщаться с источни-
Рис. 3.6. Произвольный круговой процесс
(цикл)
Рис. 3.7. Цикл Карно
49
ком теплоты с температурой Т\
или с теплоприемником (холодиль-
ником) с температурой /2, причем
Т2<ТЬ
Рассмотрим процессы, составляю-
щие этот цикл. Начало цикла опре-
деляется точкой с, состояние тела
в которой определяется параметра-
ми рс, vc, Тс и sc, причем Тс — Т\;
Sc = St>.
Изотермическое расширение cd
происходит при контакте дна цилинд-
ра с источником теплоты. Рабочее
тело при температуре Т\ получает
количество тепла q\ = Ti(sa— sc) и
расширяется изотермически по линии
cd, совершая механическую работу
за счет полученной теплоты. В точке
d (pd, Vd, Td и sd) контакт рабочего
тела с источником теплоты прекра-
щается (дно цилиндра становится
нетеплопроводным).
Адиабатное расширение da явля-
ется продолжением процесса. Даль-
нейшее расширение, связанное с со-
вершением работы за счет внутрен-
ней энергии, приводит к снижению
температуры и давления газа соот-
ветственно до значений Та = Т2 и ра-
В точке а рабочее тело через дно
цилиндра вступает в контакт с тепло-
приемником, имеющим ту же темпе-
ратуру.
Изотермическое сжатие ab проис-
ходит медленно, теплота, выделяю-
щаяся при этом, полностью отводит-
ся в теплоприемник. Таким образом,
работа внешних сил, затрачиваемая
на сжатие, в виде теплоты в коли-
честве <72= T2(sa-—Sb) переходит в
теплоприемник, а внутренняя энергия
тела не меняется (7'a(, = 7,2 = const).
Давление газа возрастает до вели-
чины рь при уменьшении объема до
Vt,. В точке Ь дно цилиндра тепло-
изолируется.
Адиабатное сжатие Ьс продолжает
процесс ab, но без теплообмена с
внешней средой. Работа внешних
сил увеличивает внутреннюю энер-
гию. В результате температура и
давление рабочего тела повышаются
до Т\ = ТС и рс. Таким образом, ра-
бочее тело приходит в свое перво-
начальное термодинамическое состо-
яние. Цикл cdabc завершен. Пло-
щадь контура cdabc на рц-диаграмме
равна полезной работе цикла (раз-
ность работы расширения 1\ и ра-
боты, затраченной на сжатие 12).
На Тх-диаграмме площадь кон-
тура cdabc — это количество тепло-
ты, преобразованной в работу (раз-
ность <71 — <72). Так как теплота
—q2 преобразуется в работу в
идеальном цикле без потерь, то пло-
щади контуров на обеих диаграммах
равны.
Термический к.п.д. цикла Карно
можно определить по формуле (3.43):
<7, r2(s„ — S3 Г,
л = 1 -21 = 1 1 --Д.
<7| Л(-%-Ъ) С
(3-44)
Следовательно, термический к.п.д.
цикла будет тем ближе к единице
(но всегда меньше нее), чем больше
будет температура источника тепло-
ты Т\ и чем ниже — температура
теплоприемника Т2.
Рабочие циклы реальных тепловых
машин отличаются от идеальных ус-
ловий протекания процессов по
циклу Карно. Поэтому их к.п.д.
т| ниже теоретического к.п.д. т]<
цикла Карно. Степень приближения
отношения т]/т]1 к единице оценивает
степень совершенства реальных цик-
лов.
Второй закон термодинамики, открытый
Сади Карно, имеет несколько различных
формулировок, смысл которых состоит в
определении условий преобразования тепло-
ты в работу и ограничений возможностей
использования этой работы. Главные поло-
жения второго закона термодинамики уста-
новлены выше при анализе цикла Карно и
применительно к двигателям сводятся к сле-
дующему.
1. Для преобразования теплоты в меха-
ническую работу необходим температурный
перепад между источником теплоты и тепло-
приемником (принцип Карно).
2. Вся подведенная теплота не может быть
использована для преобразования в работу —
ее часть должна быть отведена в тепло-
приемник, т. е. к внешним телам, имеющим
температуру ниже температуры источника
теплоты.
50
К холодильным машинам, работающим
по обратному циклу, относится еще одна
формулировка второго закона термоди-
намики:
теплота не может самопроизвольно без
затраты внешней работы переходить от тела
с меньшей температурой к телу с большей
температурой.
3.2. ИДЕАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ
ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Идеальный цикл Карно является
циклом с подводом теплоты при
постоянной температуре (7' = const),
т. е. в медленном изотермическом
процессе. Практически трудно пред-
ставить возможность осуществления
такого процесса в реальных тепло-
вых машинах. Поэтому рассмотрим
особенности теоретических (идеаль-
ных) циклов, в которых тепло-
та подводится к рабочему телу в
иных условиях, а именно при по-
стоянных объеме (y = const) или дав-
лении (p = const), а также смешан-
ного цикла. Циклы характеризуются
в первую очередь степенью сжатия
рабочего тела: е = v\/v2, являющей-
ся геометрической характеристикой
конкретного двигателя.
Цикл с подводом теплоты при пос-
тоянном объеме. Цикл (рис. 3.8)
состоит из двух адиабат (/—2 и 3—
4) и двух изохор (2—3 и 4—1) и
начинается в точке 1 (р\, ги,
Ti и si). От точки 1 до точки 2 сжа-
тие газа происходит без теплообмена
со средой (адиабатный процесс) за
счет внешней приложенной работы.
По изохоре 2—3 к рабочему телу
подводится теплота q\, при этом дав-
ление возрастает с р2 до рз (1. — рз/р2
— степень повышения давления). За-
тем рабочее тело расширяется по
адиабате 3—4, совершая механичес-
кую работу. В конце этого процесса
по изохоре 4—1 отводится во внеш-
нюю среду теплота q2.
Определим параметры состояния рабо-
чего тела в основных точках цикла и ха-
рактеристики процессов.
Точка 2 — конец адиабатного сжатия.
На основании уравнения (3.37):
pi(»t/t»2)*= pie*; u2 = oi/e; (3.45)
7’2 = 7’l(y1/o2)*-' = 7’|8ft-1.
Изохорный подвод теплоты 2—3: q\ =
= с1>(Тз — Тг).
Точка 3—конец изохорного подвода теп-
лоты:
рз = Р2^ = р|в‘Х; vs = о2 = 01 /е;
7’з = Т2Х = Г|8*-1Х. (3.46)
Точка 4 — конец адиабатного расширения:
р4 = Рз(0з/04)* = Рз/е‘ = р|А.; u4 = fi;
Т4 = Тз(оз/»4) * -1 = Тз/е*-1 = ТА, (3.47)
где оз/о4 = о2/о| = 1/е.
Изохорный отвод теплоты 4—1: q2 = c„(Ti—
-т,).
Термический к.п.д. цикла
Т4 - Т, 1
(3.48)
7 3 1 2 8
зависит от степени сжатия е и увеличивается
с ее увеличением.
Цикл с подводом теплоты при по-
стоянном давлении. Цикл (рис. 3.9)
состоит из адиабат 1—2 и 3—4, изо-
бары 2—3 и изохоры 4—1. Подвод
теплоты в данном цикле отличается
от предыдущего и происходит при
изобарном расширении газа 2—3, ко-
торое характеризуется степенью
предварительного расширения р =
= V3/V2.
Параметры точек и процессов цикла.
Точка 2—конец адиабатного сжатия —
по формуле (3.45).
Изобарный подвод теплоты 2—3: qt =
= с„(Тз-Т2).
Точка 3 — конец изобарного подвода
теплоты:
Рз = Р2 = Р1е‘; Цз = Ц2Р = (У1р/е; 7’з = Т|ре*-1
(3.49)
Точка 4 — конец адиабатного расширения:
p4 = pip*; У4 = Уь Tt = Ttpk. (3.50)
Рис. 3.8. Идеальный цикл с подводом теплоты
при постоянном объеме (по изохоре 2—3)
51
Рис. 3.10. Идеальный цикл со смешанным
подводом теплоты (по изохоре 2—3' и изо-
баре 3'—3)
Рис. 3.9. Идеальный цикл с подводом теплоты
при постоянном объеме (по изобаре 2—3)
Изохорный отвод
= с„(Г4-Г,)-
Термический к.п.д.
теплоты 4—1: qi =
цикла
^4 Л _ । р* — 1
fe(T3— Т2) (р — 1)
(3.51)
увеличивается с возрастанием степени сжатия
в и уменьшается с увеличением р.
Цикл со смешанным подводом теп-
лоты. Цикл (рис. 3.10) представляет
собой комбинацию двух предыдущих.
Он состоит из адиабат 1—2 и 3—4,
изохор 2—3' и 4—1 и изобары
3'—3. В этом цикле часть теплоты
q\ = cv(T’3— Гг) подводится при пос-
тоянном объеме, другая часть q"=
— Ср(Тз-Тз') —при постоянном
давлении, причем q'i + q"=q\.
Параметры процесса:
Точка 2 — конец адиабатного сжатия —
по формуле (3.45).
Точка 3' — конец изохорного подвода
теплоты:
Рз = Р-2- = v3 = t»2 = n,/8;
T3=T^-'K (3.52)
где Х=рз/Рг-
Точка 3 — конец изобарного подвода
теплоты — по формуле (3.49).
Точка 4 — конец адиабатного расшире-
ния:
Р4 = Р1Р*^-; V4 = vi; Т4=Т)рЧ. (3.53)
Термический к.п.д. цикла
т4 - т,
~ 1 ~ (П-т2) + Чг3-т3) ~ 1 ~
__________^Р* ~ '______ (з 54)
г‘-'[Х- 1 + Wv(p- I)]'
возрастает с увеличением е и Л. и
уменьшается с повышением р. Фор-
мула (3.54) для термического к.п.д.
цикла является наиболее общей, уни-
версальной. При <р=1 формула
(3.54) приводится к виду (3.51),
а при р = 1 — к виду (3.48).
Сравнение к.п.д. трех идеальных
циклов показывает, что при одинако-
вых значениях степени сжатия е наи-
большее значение г]/ имеет цикл с
изохорным подводом теплоты, наи-
меньшее — с изобарным. При одина-
ковых значениях наибольших давле-
ний в цикле (на которые рассчи-
тывается прочность конструкции)
большее значение термического к.п.д.
гр достигается в цикле с изобарным
подводом теплоты, меньшее — в цик-
ле с изохорным подводом теплоты.
При одинаковых наибольших темпе-
ратурах термический к.п.д. цикла с
изобарным подводом теплоты также
выше, чем к.п.д. изохорного цикла.
Смешанный цикл во всех случаях
по величине к.п.д. занимает проме-
жуточное положение между этими
циклами.
Использование идеальных циклов
для анализа рабочих процессов
поршневых двигателей внутреннего
сгорания (д.в.с). Идеальные циклы,
рассмотренные выше, основаны на
следующих условиях: рабочее тело—
идеальный газ с постоянной, не за-
висящей от температуры теплоем-
костью; количество, состав и свойст-
ва рабочего тела за время цикла не
меняются; теплота к рабочему телу
подводится от внешнего условного
источника; процессы сжатия и рас-
52
ширения являются адиабатными,
т. е. проходят без теплообмена с
внешней средой; теплота отводится
от рабочего тела к внешнему услов-
ному теплоприемнику.
Строго говоря, все эти предпо-
сылки не соблюдаются в двигателях
внутреннего сгорания, рабочие про-
цессы которых, так же как и идеаль-
ные циклы, протекают внутри цилин-
дра с подвижным поршнем. Рабочи-
ми телами в них на разных этапах
цикла являются воздух, смесь возду-
ха с парами топлива, газы — про-
дукты сгорания топлива. Стало быть,
состав и количество рабочего тела в
цикле меняются, во время расшире-
ния или сжатия часть теплоты рас-
сеивается во внешнюю среду. Про-
цесс подвода теплоты фактически
является горением топлива, а отво-
да — выбросом (рабочий процесс не
является циклическим — он разомк-
нут) продуктов сгорания в атмосфе-
ру и т. п.
Однако рабочие газы в двигате-
лях находятся при довольно высо-
ких температурах и относительно
невысоких давлениях, что делает их
свойства близкими к свойствам
идеальных газов. Одно обстоятель-
ство, что атмосферный воздух на
77 % состоит из азота, который
не участвует в горении и не меняет
своего количества, состава и свойств
в цикле, уже позволяет утверждать,
что, по крайней мере, у трех четвер-
тей массы рабочего тела не меняются
свойства. Поэтому и у всей массы
они изменяются мало. Такие оговор-
ки с достаточной для практики
точностью позволяют использовать
для анализа реальных рабочих про-
цессов д.в.с. закономерности, полу-
ченные при исследовании идеальных
циклов.
Поэтому обычно вместо реального
цикла д.в.с. рассматривается работа
идеальной циклической установки,
использующей воздух в качестве
рабочего тела и имеющей такую же
степень сжатия, как и д.в.с. Говорят,
что такая установка работает по
стандартному воздушному циклу.
С ее работой и сравнивается эф-
фективность рабочего процесса
реального двигателя. Надежность
сравнения возрастает из-за внешнего
сходства между индикаторной диа-
граммой реального д.в.с. (зависи-
мость давления от объема цилиндра)
и диаграммой состояния (рц-диа-
грамма) соответствующего воздуш-
ного цикла.
Имеются три таких стандартных
воздушных цикла.
1. Цикл Отто, или цикл быстрого
сгорания, соответствующий идеаль-
ному циклу с подводом тепла по
изохоре. Цикл был разработан фран-
цузом Бо де Роча в 1862 г. и при-
менен позднее в своем двигателе
немецким инженером Николасом От-
то.
2. Цикл Дизеля, или цикл посте-
пенного сгорания, соответствующий
идеальному циклу с изобарным под-
водом теплоты. Цикл назван по име-
ни изобретателя двигателя с воспла-
менением от сжатия Рудольфа Дизе-
ля, немца по национальности, родив-
шегося и работавшего во Франции.
3. Смешанный цикл, соответствую-
щий идеальному циклу со смешан-
ным подводом теплоты.
Параметры состояния рабочего те-
ла и характеристики процессов в
стандартных воздушных циклах с
достаточной точностью могут опре-
деляться по аналогичным зависимос-
тям для идеальных циклов.
Теоретические циклы газотурбин-
ных двигателей. Газотурбинным
двигателем (ГТД) называется тепло-
вой двигатель лопаточного типа,
работающий на горячих газах —
продуктах сгорания топлива. ГТД
(рис. 3.11) состоит из компрессо-
ра К, подающего воздух, необходи-
мый для сгорания топлива, камеры
сгорания С, в которой непрерывно
протекает горение топлива, и газовой
турбины Т, на лопатках которой
газы расширяются и совершают ра-
53
Тепл
Рис. 3.11. Схема газотурбинного двигателя
боту, вращая ротор ГТД. От вала
ротора отбирается мощность (до
75 %) для привода компрессора.
Оставшаяся часть — это полезная
мощность ГТД. Рабочий процесс
такой установки, строго говоря,
нециклический. Через ГТД проходит
непрерывно установившийся поток
газа по разомкнутой схеме. Однако
так как воздух засасывается из
атмосферы, а газы возвращаются
также в среду с тем же атмосфер-
ным давлением, это дает возмож-
ность условно замкнуть цикл и счи-
тать процесс циклическим.
Особенностью простейших идеаль-
ных циклов, используемых в ГТД,
является отвод тепла при постоянном
давлении, т. е. по изобаре. Таких
циклов может быть два — в зависи-
мости от способа подвода теплоты —
по изобаре или по изохоре.
Цикл ГТД с подводом теплоты
по изобаре (рис. 3.12) состоит из
двух адиабат (/—2 и 3—4) и двух
изобар (2—3 и 4—/). По линии
1—2 протекает адиабатный процесс
сжатия рабочего тела (воздуха) в
компрессоре, по изобаре 2—3 подвод
теплоты — горение топлива в камере
сгорания. По линии 3—4 протекает
адиабатный процесс расширения га-
за на лопатках турбины. Линия 4—1
представляет собой изобарный отвод
теплоты (выпуск газов в атмосфе-
ру). По такому циклу работают
турбореактивные двигатели самоле-
тов.
Термический к.п.д. цикла опреде-
ляется по выражению (3.48), где под
e = i>i/t)2 подразумевается степень
сжатия воздуха в компрессоре, с уве-
личением которой к.п.д. цикла воз-
растает. Газ, выходящий из турбины
в окружающую среду, имеет темпе-
ратуру Ti, более высокую, чем темпе-
ратура воздуха Ti после сжатия в
компрессоре. Это дает возможность
усовершенствовать работу установки
путем использования теплоты уходя-
щих газов для предварительного
подогрева воздуха перед его поступ-
лением в камеру сгорания (регене-
рация) .
Цикл ГТД с подводом тепла по
изохоре (рис. 3.13) состоит из двух
адиабат (/—2 и 3—4), изохоры
(2—3) и изобары (4—1).
Термический к.п.д. такого цикла
£ 11/* _ 1
(3-55)
где Х = р3/Р2 — степень повышения дав-
ления газа при сгорании топлива.
Очевидно, что к.п.д. этого цикла
ниже, чем цикла с изобарным под-
водом теплоты.
Рис. 3.12. Идеальный цикл ГТД с подводом
теплоты при постоянном давлении (по изоба-
ре 2—3)
Рис. 3.13. Идеальный цикл ГТД с подводом
теплоты при постоянном объеме (по изохо-
ре 2—3)
54
3.3. ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА
Способы передачи тепла. Преобра-
зование теплоты в механическую ра-
боту в двигателях внутреннего сго-
рания и газотурбинных установках,
охлаждение тяговых электрических
машин и аппаратов, подогрев топли-
ва, охлаждение наддувочного возду-
ха и многие другие процессы на
тепловозах сопровождаются тепло-
обменом, т. е. передачей тепловой
энергии (теплоты) от одного тела
к другому. Природа тел, между
которыми проходит теплообмен, мо-
жет быть различной, в теплообме-
не могут участвовать твердые, жид-
кие и газообразные тела. Теплота
может передаваться либо непосред-
ственно от тела к телу (например,
от твердого тела к твердому, жидко-
му или газообразному или наоборот),
либо более сложными путями (на-
пример, от твердого тела к твердо-
му, но не непосредственно, а через
промежуточный теплоноситель —
жидкость или газ). Передача тепла
между жидкими и газообразными
телами также может проходить либо
непосредственно (при их смешивании
или через свободную поверхность
жидкости), либо через разделяющую
их потоки перегородку (твердую
стенку).
В соответствии со вторым зако-
ном термодинамики необходимым
условием теплообмена является на-
личие разности температур между
телами. Иными словами, естествен-
ным путем тепловая энергия может
переходить от более нагретого тела
к менее нагретому, но не наоборот.
Процессы теплообмена являются
сложными физическими явлениями.
Из физики известно, что в природе
имеют место три различных способа
переноса тепла: теплопроводность,
конвекция, излучение (радиация).
Теплопроводность — это передача тепла
внутри одного и того же тела между его
частями, имеющими различную температу-
ру. Более подвижные (т. е. более нагретые)
частицы тела (молекулы, атомы) при
непосредственном соприкосновении передают
часть своей энергии менее подвижным, т. е.
более холодным частицам. Процесс тепло-
обмена теплопроводностью имеет место глав-
ным образом в твердых телах, частицы ко-
торых более сближены друг с другом. Так,
при нагревании металлического листа водном
месте, например при его сварке, спустя не-
которое время можно обнаружить, что по-
высилась температура и других участков
листа, которые непосредственно не нагрева-
лись: тепло распространилось теплопровод-
ностью.
В тепловых процессах капельных жидкос-
тей, а тем более газов, теплопроводность
играет малую роль (теплопроводность жид-
костей и газов невелика).
Конвекция — перенос тепла в процессе пе-
ремещения н перемешивания более нагретых
и менее нагретых частиц. Такой процесс
может иметь место в среде с подвижными
частицами, т. е. в капельных жидкостях и
газах. Обычно конвекция сопровождается
обменом энергией между этими частицами —
теплопроводностью. Такой процесс называют
конвективным теплообменом. Его интенсив-
ность зависит от состояния, скорости и харак-
тера движения жидкости. Перемещение жид-
кости может быть как естественным, так и
вынужденным. Естественное (свободное) пе-
ремещение частиц возникает в результате раз-
ности плотностей более нагретых и менее
нагретых объемов жидкостей в сосуде. Если
прозрачный сосуд с капельной жидкостью
подогревать снизу, то можно увидеть восхо-
дящие струйки жидкости. Они вызваны
тем, что в нагретой части объема жидкости
(у дна) плотность жидкости меньше плот-
ности ее верхних слоев.
Из-за разности плотностей нагретых и хо-
лодных слоев в соответствии с законами
гидростатики возникает подъемная сила, под
действием которой нагретые частицы снизу
перемещаются вверх, перенося с собой свою
энергию (теплоту). Такое явление называют
естественной конвекцией. Одновременно с
конвекцией часть теплоты передается тепло-
проводностью при непосредственном сопри-
косновении между частицами жидкости. Сле-
довательно, явление конвекции обусловли-
вает перенос теплоты в объеме жидкости как
за счет непосредственного соприкосновения
между частицами жидкости (теплопровод-
ности), так перемещения частиц жидкости в
объеме при естественном их движении.
При подводе тепла к жидкости сверху
свободного перемещения частиц жидкости в
сосуде не будет. В этом случае тепло в
объеме жидкости может распространяться
лишь теплопроводностью.
Принудительное перемещение теплоноси-
теля (жидкости, газа) вдоль нагретой или
холодной поверхности (насосом или вентиля-
тором) усиливает роль конвекции в тепло-
обмене. Такой процесс называют вынужден-
ной конвекцией.
Тепловое излучение (лучеиспускание, или
лучистый теплообмен) — это распространение
55
теплоты путем преобразования тепловой
энергии в энергию электромагнитных коле-
баний (лучистую энергию) в источнике тепла
и обратного преобразования (поглощения
излучения) в нагреваемом теле.
Все тела при любой температуре излу-
чают энергию, которая распространяется в
пространстве со скоростью света в виде элек-
тромагнитных колебаний, но интенсивность
излучения резко возрастает с повышением
температуры.
Как показано на примере конвекции,
отдельные способы распространения тепла,
так сказать, в чистом виде встречаются ред-
ко. Чаще всего теплообмен осуществляется
в результате совокупного действия теплопро-
водности, конвекции и теплового излучения.
Сложные процессы переноса теплоты от
одного теплоносителя к другому через разде-
ляющую их твердую стенку называют тепло-
передачей.
Процессы теплообмена между телами мо-
гут происходить при установившемся (ста-
ционарном) и неустановившемся (нестацио-
нарном) режимах. Распределение темпе-
ратур в различных точках тела при стацио-
нарном режиме остается неизменным с тече-
нием времени: процесс распространения тепла
установился, и тепловое состояние элементов
тела уже не меняется. В установившемся
тепловом режиме могут находиться двигате-
ли внутреннего сгорания и электрические
машины тепловозов после продолжительной
работы, если за это время режимы их на-
грузки и условия охлаждения не меняются.
При нестационарных режимах температу-
ры в отдельных точках тела меняются со
временем. Так происходит, например, при
пуске и прогреве дизеля, при переменных
режимах работы. Нестационарные режимы
весьма сложны для изучения. Поэтому в
дальнейшем рассматриваются стационарные
режимы теплообмена, с одной стороны, более
доступные для анализа, а с другой — имею-
щие важное практическое значение для проек-
тирования и эксплуатации тепловозов.
Теплопроводность в твердом теле.
Французский ученый Жан Батист
Фурье (1768—1830), изучая процес-
сы теплопроводности, установил, что
плотность потока теплоты <?, пред-
ставляющая собой отношение коли-
чества теплоты Q к площади попе-
речного сечения тела F, перпенди-
кулярного направлению потока,
и времени т процесса, пропорцио-
нальна градиенту температуры А//Ах
где А( — перепад температур; Ах —
длина, на которую распространяется
тепловой поток:
q = 4-= (3.56)
v Ft &.Х ' '
Выражение (3.56) представляет
собой основной закон теплопровод-
ности и называется законом Фурье.
Знак «минус» в нем означает, что
тепловой поток направлен в сторону
уменьшения температуры.
Коэффициент пропорциональности
X в выражении (3.56) характеризует
способность вещества проводить теп-
лоту и называется теплопровод-
ностью. Ее размерность—Вт/(м-К).
(Ввиду того что в процессах тепло-
обмена обычно играет роль не тем-
пература, а разность температур, в
расчетах можно пользоваться зна-
чениями разностей температур по
шкале Цельсия.)
Теплопроводность зависит от
свойств материала (структуры, объ-
емного веса) и внешних условий
(влажности, давления, температуры).
Физически теплопроводность опреде-
ляет количество тепла (Дж или
Вт-с), которое передается в еди-
ницу времени (с) через единицу
площади поверхности (м2) при пере-
паде температур в 1 °C на единице
длины (м). Наибольшие значения
теплопроводности имеют металлы:
медь [360 Вт/(м-К)], алюминий
(200—230), латунь (100—120), сталь
(45—55).
Теплопроводность через стенку.
Количество теплоты Q, проходящее
через однослойную стенку (рис.
3.14, а) в стационарном процессе
в единицу времени, определяется по
закону Фурье:
Q = k ~ - Ft, (3.57)
где /| и /2 — температуры наружных
поверхностей стенки; 6 — толщина стен-
ки, м; F — площадь ее поверхности,
м2.
Если разделить обе части равен-
ства на Ft, можно получить плот-
ность теплового потока (Вт/м2):
= = <3-58)
В этом выражении знаменатель
6/Z называется термическим сопро-
тивлением теплопроводности. При
56
увеличении термического сопротив-
ления теплопроводности величина
теплового потока уменьшается.
Следовательно, тепловой поток q,
передаваемый теплопроводностью
через стенку, прямо пропорционален
температурному напору /1-/2 и об-
ратно пропорционален термическому
сопротивлению б/k. Этот закон подо-
бен закону Ома в электротехнике,
согласно которому сила тока / равна
отношению разности электрических
потенциалов U\ — U2 к электрическо-
му сопротивлению R, т. е. / = ((71 —
U2)/R. Здесь электрический ток /
соответствует тепловому потоку q,
разность электрических потенциалов
(71 — U2— разности температур t\ —
t2 и электрическое сопротивление
R — тепловому сопротивлению 6/Z.
Размерность термического сопро-
тивления теплопроводности —
м2-К/Вт.
Для многослойной стенки (рис.
3.14, б)
<7 = I «А'Тл/Г- (3.59)
0|/*i т «г/*? + О3/Л.3
Формула (3.59) имеет ту же струк-
туру, что и формула (3.58), в числи-
теле полученного уравнения — тем-
пературный напор,а в знаменателе—
общее термическое сопротивление,
равное сумме сопротивлений трех
слоев.
Теплопроводность через цилиндрические
стенки. Количество тепла qi (рис. 3.15), пере-
даваемое через единицу длины трубы, опре-
деляется следующим образом:
а) для однослойной трубы
<?,= ; (3.60)
б) для многослойной трубы
<7, = — -----------j-----------
2^1п(^-) + ъД71п(^) +
----j---------- (3.61)
+ 2^ ‘П )
Конвективный теплообмен. Тепло-
обмен между поверхностью какого-
Рис. 3.14. Теплопроводность плоской стенки
Рис. 3.15. Теплопроводность цилиндрической
стенки (трубы):
а — однослойной; б — многослойной
либо твердого тела (например, плос-
кой стенки — рис. 3.16) и потоком
теплоносителя, движущимся вдоль
этой поверхности является конвек-
тивным.
Если температура стенки tcr ниже
температуры теплоносителя (жидко-
сти, газа) /, то тепловой поток q бу-
дет направлен от теплоносителя к
стенке. Количество тепла Q, переда-
ваемое в этих условиях при конвек-
тивном теплообмене в единицу вре-
мени (с), прямо пропорционально
площади поверхности теплообмена
лообмен — теплоотдача от по-
тока к стенке
57
(стенки) F (м2) и разности темпе-
ратур теплоносителя t и поверхности
стенки
Q = aF(t-t„), (3.62)
где а — коэффициент конвективного
теплообмена (коэффициент теплоотда-
чи), Вт/ (м2-К)-
Разделив обе части уравнения
(3.62) на F, получим уравнение
удельного теплового потока: q =
= Q/F — a(t — t„). Его можно пере-
писать в другом виде:
9 = (3.63)
Сопоставляя формулу (3.63) с
формулой (3.58), видим, что они
имеют одинаковую структуру: в чис-
лителе — разность температур. Ве-
личина 1/а, обратная коэффициенту
теплоотдачи а, в знаменателе форму-
лы (3.63) соответствует величине
6/А, в формуле (3.58), которую мы
назвали термическим сопротивле-
нием теплопроводности по аналогии с
электрическим сопротивлением в
формуле закона Ома. Поэтому вели-
чину 1/а (м2-К/Вт) следует считать
термическим сопротивлением конвек-
тивного теплообмена.
Необходимо отметить, что форму-
лы (3.62) и (3.63) будут справедли-
вы и в случае, если /ст> t. Тогда
величины Q и q будут отрицательны-
ми, что будет указывать на то, что
направление теплообмена будет
иным (не от жидкости к стенке, а
от стенки к жидкости). Для того
чтобы в расчетах не сталкиваться с
отрицательными значениями, приня-
то в формулы типов (3.62) и (3.63)
вводить положительную разность
температур, т. е. перепад между
температурой тела, отдающего тепло-
ту, и температурой тела, восприни-
мающего теплоту, так как именно в
этом направлении проходит тепло-
обмен.
Из уравнения (3.63) можно полу-
чить выражение, связывающее t и
t„-.t = t„-\-q/a.. В уравнения (3.62)
и (3.63) входит очень важная ха-
рактеристика интенсивности процес-
58
са конвективного теплообмена —
коэффициент теплоотдачи а, который
численно выражает количество теп-
лоты, передаваемой теплоносителем
1 м2 поверхности в единицу време-
ни (с) при разности температур
между поверхностью стенки и тепло-
носителем 1 °C.
Коэффициент теплоотдачи а мо-
жет иметь весьма различные значе-
ния. Например, при конвективном
обмене между стенкой и водой, дви-
жущейся относительно стенки, коэф-
фициент а может достигать значений
5000 Вт/ (м2-К) и более. При свобод-
ном движении воздуха вдоль стенки
а составляет 5—10 Вт/(м2«К), при
вынужденном движении — до 100
Вт/(м2-К).
Теоретическое определение коэф-
фициента теплоотдачи сопряжено с
большими трудностями. Изучение
процесса теплообмена между движу-
щимся теплоносителем и твердой
стенкой показало, что коэффициент
теплоотдачи зависит от многочислен-
ных факторов и прежде всего от при-
роды теплоносителя, скорости и ре-
жима его движения, температур
теплоносителя и стенки, плотности,
теплоемкости, теплопроводности,
вязкости и других физических
свойств теплоносителя, а также от
размеров и конфигурации теплоот-
дающей или тепловоспринимающей
поверхности.
Конвективный теплообмен в зна-
чительной степени зависит от приро-
ды и режима движения жидкости.
При ламинарном режиме течения
(см. п. 2.3) отсутствует перемеши-
вание отдельных слоев жидкости.
Вследствие этого передача тепла
от слоя к слою жидкости происхо-
дит только за счет теплопроводности.
При турбулентном течении пульса-
ции скорости вызывают перенос час-
тиц жидкости в направлении,перпен-
дикулярном к направлению течения
и к стенке; вместе с частицами
жидкости благодаря перемешиванию
слоев переносится и теплота. В ре-
зультате интенсивность теплообмена
при турбулентном течении значитель-
но выШе, чем при ламинарном те-
чении.
Вблизи стенки скорости течения
из-за вязкости жидкости очень малы,
поэтому около стенки образуется
слой с ламинарным режимом тече-
ния, называемый пограничным
слоем. В пограничном слое толщи-
ной 6 передача теплоты осуществля-
ется лишь теплопроводностью, поэ-
тому теплопроводность погранич-
ного слоя составляет основную
часть термического сопротивления
конвективного теплообмена при тур-
булентном течении. В пограничном
слое имеет место наибольшая часть
перепада температур. С увеличением
скорости движения толщина погра-
ничного слоя уменьшается, следо-
вательно, уменьшается термическое
сопротивление теплоотдачи.
Коэффициенты теплоотдачи опре-
деляются для конкретных условий
теплообмена в экспериментальных
исследованиях. Результаты таких ис-
следований представляются в виде
графических или эмпирических зави-
симостей типа a = f(v), где v —
скорость теплоносителя. Однако та-
кие зависимости имеют ограничен-
ное применение, так как соответ-
ствуют только тем условиям, при
которых проводились испытания.
Для возможности обобщения опыт-
ных данных и получения более
общих зависимостей используются
эмпирические формулы в безразмер-
ных переменных, выражаемых ком-
плексами величин или так называ-
емыми критериями (или числами)
подобия. Критерии подобия сокра-
щенно обозначаются начальными
буквами фамилий ученых, оказав-
ших большое влияние на разви-
тие науки и теплообмене. С одним
из таких критериев — критерием
Рейнольдса (Re) — мы уже встреча-
лись в п. 2.3 — формула (2.30).
Величина критерия Re характеризует
режим течения, имеющий, как пока-
зано выше, большое влияние на
интенсивность теплообмена. При
Re<2300 течение ламинарное, при
Re> 10 000 — турбулентное. В ин-
тервале этих значений Re — режим
течения переходный.
Закономерности конвективного
теплообмена обычно характеризуют-
ся критериальными уравнениями
вида
Nu = XRe"Prm, (3.64)
в которые входят, помимо Re, еще
два безразмерных критерия: крите-
рий Нуссельта Nu и критерий Пранд-
тля Рг (Д, п и пг — эмпирически
определяемые постоянные числовые
параметры).
Критерий Нуссельта определяет
интенсивность теплоотдачи:
Nu = a//X, (3.65)
где a — коэффициент теплоотдачи,
Вт/(м2-К); X — теплопроводность,
Вт/(м-К); I — определяющий размер,
характеризующий поверхность теплоот-
дачи (для труб обычно диаметр), м.
Критерий Прандтля Pr = v/a ха-
рактеризует физические свойства
теплоносителя: v — коэффициент
кинематической вязкости, м2/с; а =
= Z/(pcp) — коэффициент темпера-
туропроводности, м2/с. Нетрудно
проверить, что комплексы Nu, Рг,
так же как и Re, не имеют раз-
мер-ности.
Таким образом, выражения типа
(3.64) могут быть использованы
для определения коэффициента теп-
лоотдачи а в зависимости от скорос-
ти течения v, свойств теплоносите-
ля и других условий теплообмена.
Теплообмен излучением. Особенностью
этого вида теплообмена является отсутствие
непосредственного контакта тел, обмениваю-
щихся теплотой. Тепловое излучение имеет
место у любых тел, температура которых
отличается от нуля, однако перенос теплоты
в заметных размерах наблюдается лишь при
высоких температурах. Это видно из выраже-
ния закона Стефана—Больцмана, по кото-
рому энергия Е, излучаемая поверхностью
тела, имеющего температуру Т, пропорцио-
нальна четвертой степени этой температуры:
£ = еСо(7’/1ОО)4, где е — степень черноты тела;
Со = 5,67 Вт/(м2-К4) —коэффициент излуче-
ния абсолютно черного тела.
Удельный тепловой поток между двумя
параллельными твердыми поверхностями или
поверхностью и газом, имеющими температу-
59
ры 7"i и Тг, определяется уравнением q~
= enpCo[(7'i/lOO)4—(Тг/ЮО4)], где е„р — при-
веденная степень черноты системы.
Обычно при расчетах теплообмена в ма-
шинах при относительно невысоких темпе-
ратурах (например, до 150—200 °C) часть
тепла, передаваемую излучением, не выде-
ляют отдельно ввиду ее малости, а включают
в тепловой поток теплоотдачи или теплопро-
водимости.
3.4. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
И ТЕПЛООБМЕННИКИ
Теплопередача (или сложный теп-
лообмен) — это процесс передачи
теплоты от одного теплоносителя
(жидкости или газа), имеющего
более высокую температуру Л, к дру-
гому теплоносителю (жидкости или
газу), имеющему более низкую тем-
пературу /2, через разделяющую их
стенку (поверхность теплообмена).
Схема этого процесса приведена на
рис. 3.17. Процесс теплопередачи
по этой схеме складывается из трех
рассмотренных выше простейших
процессов:
конвективной теплоотдачи от го-
рячего теплоносителя к поверхности
стенки с температурой t'„, который
определяется выражением типа
(3.62):
Q = aiF(ti — t'„),
где «I — коэффициент теплоотдачи от
горячего теплоносителя к стенке;
теплопроводности через стенку
толщиной 6, определяемой уравнени-
ем типа (3.57):
Q=-jF
где t"T — температура поверхности стен-
ки со стороны холодного теплоносителя;
конвективной теплоотдачи от на-
гретой стенки к холодному теплоно-
сителю:
Q — a.2F(t"T~ t2),
где а2 — коэффициент теплоотдачи от
стенки к теплоносителю.
По аналогии с выражениями для
простейших процессов теплопередачу
60
в целом можно представить уравне-
нием
Q = kF(ti—t2'), (3.66)
где k — коэффициент теплопередачи,
Вт/(м2-К).
Из схемы процесса на рис. 3.17
вытекает, что
/| — = — /(т) + (^СТ-/ст) + (^ст— (г) •
Все разности температур в этом
уравнении могут быть определены
из четырех вышеприведенных урав-
нений соответственно. В результате
получаем, что
k = 1/а, + 6/Х +1/а2’ (3 ’67)
т. е. что коэффициент теплопередачи
k представляет собой величину, об-
ратную сумме термических сопротив-
лений составляющих ее процессов.
Коэффициент теплопередачи k оп-
ределяется на основе критериальных
уравнений типа
Ki = Л, Re/’Re^C (3.68)
kl
где Ki = T--критерий Кирпичева, наз-
А
ванный так в честь крупного русского
ученого акад. М. В. Кирпичева, одного
из основателей теории подобия; Re, и
Re2 — числа Рейнольдса для обоих
теплоносителей; в, = (Т| — Т2) 102/Т| —
температурный фактор; At, mt, m2, р —
постоянные.
Для процессов теплопередачи ха-
рактерно, что термическое сопротив-
ление теплопроводности 6/А, в выра-
жении (3.67) значительно
величин 1/а, поэтому часто
небрегают и считают, что
меньше
им пре-
(3.69)
Обычно коэффициенты теплоотда-
чи ai и а2 с разных сторон
стенки сильно отличаются друг от
друга по значению, так, например,
для теплопередачи от горячей воды к
воздуху ai имеет порядок 5000 Вт/
(м2-К), а а2 — 50 Вт/(м2-К), т. е.
в 100 раз меньше. При таком соот-
ношении k^za.2- Поэтому для увели-
чения коэффициента теплопередачи
применяют увеличение площади те-
плопередающей поверхности F2 со
стороны худшей теплоотдачи (ореб-
рение) так, чтобы отношение F2/F\ =
= 54-10 (рис. 3.18). Тогда коэффи-
циент теплопередачи, отнесенный к
большей поверхности F2,
< а, си
’ Д (3.70)
al + a2(f2/fl)
При этом, величина коэффици-
ента теплопередачи даже уменьша-
ется (в нашем случае при F2/F\ =
= 10 — примерно на 10%), но так
как площадь теплопередающей по-
верхности значительно возрастает,
общее количество передаваемого теп-
ла увеличивается в [(F2/F1) — 1] раз.
Теплообменники—это техничес-
кие устройства для передачи теп-
лоты от одного теплоносителя к дру-
гому. Необходимость в таких устрой-
ствах для силовых установок выте-
кает, в частности, из второго зако-
на термодинамики, по которому от
рабочего тела необходимо отводить
часть теплоты к теплоприемнику, ко-
торым обычно является атмосферный
воздух. Поэтому и на тепловозах
применяется целый ряд различных
теплообменных аппаратов, в которых
теплота передается от жидкости к
жидкости (например, от масла к во-
де — водомасляные теплообменни-
ки), от жидкости (воды или масла) —
к воздуху (водо- и масло воздушные
радиаторы), от воздуха к воздуху
(воздуховоздушные теплообменники
наддувочного воздуха). Все эти кон-
кретные устройства рассмотрены
в гл. 6.
Отметим общие принципы их
устройства и работы. Большинство
теплообменников представляет собой
пучки труб малого диаметра. Распре-
деление потока теплоносителя (жид-
кости) по большому числу трубок
малого диаметра позволяет значи-
тельно увеличить (развить) при том
же общем объеме устройства вели-
чину поверхности теплообмена. Со
Рис. 3.17. Конвективный теплообмен —тепло-
передача через плоскую стенку
стороны меньшего коэффициента
теплоотдачи теплоотдающая поверх-
ность труб увеличивается также за
счет оребрения.
Теплообменники типа «жидкость—
жидкость» выполняются обычно в ви-
де цилиндрического кожуха, в кото-
ром между двумя решетками раз-
мещается трубный пучок. Теплооб-
менники типа «жидкость—воздух»
для возможности лучшего контакта
с атмосферным воздухом выполняют-
ся в виде развернутых плоских
панелей (радиаторов).
В зависимости от взаимного ха-
рактера движения теплоносителей
различают теплообменники прямо-
точные, в которых теплоносители
движутся попутно и разность тем-
ператур между ними уменьшается
по длине теплообменника; противо-
точные, где движение теплоносителей
встречное, и перекрестноточные с
взаимно перпендикулярным течением
теплоносителей.
Лучшие технико-экономические
показатели имеют противоточные
Рнс. 3.18. Оребрение
теплоотдающей по-
верхности
5
Ч
«7
61
теплообменники, однако такую схему
движения трудно обеспечить, особен-
но если один из теплоносителей —
воздух.
Эффективность теплообменников
в эксплуатации зависит от состоя-
ния их теплопередающих порерхнос-
тей. Наибольшее влияние на вели-
чину количества передаваемого теп-
ла оказывает загрязнение этих по-
верхностей, например, из-за осажде-
ния пыли с воздушной стороны,
выделения вязких осадков из масла
или солей (накипи) из воды. Любой
дополнительный слой на теплопере-
дающей поверхности является допол-
нительным термическим сопротив-
лением типа б/А, в знаменателе
формулы (3.67), причем, несмотря
на малую толщину осадков, их тер-
мическое сопротивление оказывает-
ся очень большим потому, что их
теплопроводность очень мала. В
результате теплопередача загрязнен-
ных теплообменников резко сокра-
щается.
Г л а в a 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
4.1. ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА
И РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
И КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
В двигателях внутреннего сгора-
ния (д.в.с.) два основных рабочих
процесса, входящих в их теорети-
ческий термодинамический цикл, а
именно: сгорание топлива (подвод
теплоты) и преобразование тепловой
энергии продуктов сгорания в меха-
ническую работу (расширение газов)
осуществляются в одном месте —
внутри рабочего цилиндра. Именно
поэтому машины такого типа на-
зывают двигателями внутреннего
сгорания — в отличие от паросило-
вых установок (паровозов, тепловых
электростанций), в которых сгорание
топлива осуществляется вне двигате-
лей.
Совмещение двух процессов в
одном месте способствует сокраще-
нию потерь энергии (теплоты) и
повышению к.п.д. двигателя.
Общее устройство д.в.с. рассмот-
рим на примере одного цилиндра
четырехтактного дизеля. Двигатель
(рис. 4.1, а) состоит из неподвиж-
ного цилиндра 3, составляющего
вместе с картером 2 и поддоном
1 единую конструкцию, называемую
остовом. Сверху цилиндр ограни-
чивается крышкой цилиндра, в дни-
ще которой расположены впускной
4 и выпускной 6 клапаны и фор-
сунка 5 для подачи дизельного
топлива.
Движущиеся детали дизеля —
поршень 7, шатун 8, кривошип 9
и вал 10 — объединены с помощью
шарниров (подшипников) и состав-
ляют кривошипно-шатунный меха-
низм. При работе двигателя пор-
шень совершает возвратно-поступа-
тельное движение вдоль оси цилинд-
ра, которое с помощью кривошип-
но-шатунного механизма преобра-
зуется во вращение вала 10.
Принцип действия д.в.с. При сго-
рании топлива в объеме сжатого
воздуха между стенками цилиндра
3, крышкой и днищем поршня 7
образуются газы — продукты сгора-
ния. Вследствие этого давление в
цилиндре резко возрастает, что при-
водит к перемещению поршня. Та-
ким образом, тепловая энергия про-
дуктов сгорания преобразуется в
цилиндре в механическую работу.
После расширения газы выпускаются
из цилиндра через выпускной кла-
пан 6.
Поршень возвратно перемещается
в цилиндре между двумя крайни-
ми положениями. Положение поршня
при максимальном удалении от вала
называется верхней (или внутрен-
ней) мертвой точкой (в.м.т.). Наибо-
лее близкое к валу положение порш-
ня называется нижней (или наруж-
ной) мертвой точкой (н.м.т.). Вели-
чина хода поршня S определяется
расстоянием между этими точками
и равна длине двух радиусов кри-
вошипа — 2R. Каждому ходу порш-
ня соответствует поворот кривошипа
на 180°, т. е. за один оборот
вала поршень делает два хода.
Объем, занимаемый газами в ци-
линдре при положении поршня в
в.м.т., называется объемом камеры
сжатия и обозначается Ус- Объем
между в.м.т. и н.м.т. называется
рабочим объемом цилиндра и обозна-
чается Vh. Рабочий объем цилиндра
равен произведению площади попе-
речного сечения цилиндра на ход
поршня: Vh = nD2S/4 (здесь D —
диаметр цилиндра). Полный объем
цилиндра Va равен сумме Vh и Vc-
Отношение полного объема ци-
линдра к объему камеры сжатия
называется степенью сжатия е.
63
Поршень в течение каждого хода
движется в цилиндре с переменной
скоростью, поэтому его движение ха-
рактеризуют величиной средней ско-
рости ст- Так как за один оборот
вала поршень проходит путь 2S, а
частота вращения вала в минуту
обозначается п, то средняя скорость
поршня равна cm = 2Sn/60.
Преобразование внутренней хими-
ческой энергии топлива в механи-
ческую энергию в двигателе осу-
ществляется при помощи газообраз-
ного рабочего тела, качество и ко-
личество которого в процессе цикли-
чески изменяются.
Совокупность изменений рабочего
тела в цилиндре двигателя и в
смежных с цилиндром системах,
служащих для ввода рабочего тела
(или составных его частей) и удале-
ния его, называется рабочим, про-
цессом двигателя.
Периодически повторяющаяся в
цилиндре последовательность частей
рабочего процесса (заполнение све-
жим зарядом, сжатие, горение, рас-
ширение и удаление продуктов го-
рения) называется рабочим циклом
двигателя. Часть цикла, протекаю-
щая между двумя смежными поло-
жениями поршня в мертвых точках
или соответствующая изменению
объема цилиндра между наибольшим
и наименьшим значениями, называ-
ется тактом. В двигателе с одним
поршнем в цилиндре такт происхо-
дит за один ход поршня.
В четырехтактном двигателе, изо-
браженном на рис. 4.1, а, цикл про-
текает за четыре хода поршня. При
движении поршня 7 вниз от в.м.т. и
открытом клапане 4 цилиндр запол-
няется воздухом (I такт — наполне-
ние). Далее воздух сжимается дви-
жущимся вверх поршнем при закры-
тых клапанах 4 и 6 (II такт —
сжатие).
В конце сжатия форсункой 5
впрыскивается топливо, которое са-
Рис. 4.1. Схемы двигателей внутреннего сгорания:
а — четырехтактного дизеля; б — двухтактного дизеля с клапанно-щелевой продувкой
64
мовоспламеняется от высокой темпе-
ратуры воздуха. Поршень под воз-
действием давления расширяющихся
газов движется вниз (III такт —
рабочий ход). IV такт является
тактом выпуска отработавших газов.
Поршень движется вверх, и через
открытый клапан 6 газы выталки-
ваются из цилиндра. Далее начина-
ется новый цикл и т. д.
Несколько иначе протекает рабо-
чий цикл двухтактного дизеля (рис.
4.1,6). Устройство этого двигателя
отличается от предыдущего тем, что
в крышке цилиндра есть только
выпускные клапаны 6, а в стенках
цилиндра 3 — впускные окна //, че-
рез которые в цилиндр может посту-
пать свежий воздух. Эти окна откры-
ваются самим поршнем при его дви-
жении в цилиндре.
При движении поршня вверх из
крайнего нижнего положения снача-
ла в цилиндр под некоторым избы-
точным давлением от нагнетателя
поступает воздух через окна 11,
затем в цилиндре происходит про-
цесс сжатия воздуха. Давление и
температура воздуха в цилиндре рас-
тут (I такт).
В конце такта форсункой 5 впрыс-
кивается топливо, которое самовос-
пламеняется вследствие высокой тем-
пературы воздуха и сгорает. Давле-
ние газов в цилиндре резко повыша-
ется. Под давлением газов поршень
из верхнего положения перемещается
в нижнее, совершая полезную меха-
ническую работу (II такт—рабо-
чий). В конце такта сначала откры-
ваются выпускные клапаны 6. Отра-
ботавшие газы выходят из цилиндра
в выпускной коллектор. Давление их
в цилиндре падает. При дальнейшем
продвижении вниз поршень откроет
продувочные окна 11 и свежий воздух
начнет поступать в цилиндр двига-
теля. Происходят продувка и напол-
нение цилиндра воздухом. Таким об-
разом, у двухтактного двигателя
рабочий цикл совершается за два хо-
да поршня, или за один оборот
вала.
Классификация д.в.с. Двигатели
внутреннего сгорания могут быть
классифицированы по следующим
основным признакам.
По числу тактов рабочего цикла
различают двигатели четырех- и
двухтактные.
По роду применяемого топлива
бывают двигатели: легкого жидкого
топлива (бензин), тяжелого жидко-
го топлива (дизельное топливо) и
газовые.
По способу смесеобразования, т. е.
процесса приготовления горючей
смеси, различают двигатели:
с внутренним смесеобразованием,
в которых рабочая смесь образуется
внутри рабочего цилиндра в резуль-
тате распыливания топлива форсун-
кой — дизели;
с внешним смесеобразованием, в
которых горючая смесь, состоящая
из паров жидкого легкого топлива
с воздухом или из газа с воздухом,
образуется вне рабочего цилиндра —
карбюраторные и газовые двигатели.
По способу воспламенения рабо-
чей смеси: с самовоспламенением
топлива (дизели), в которых впрыс-
киваемое в камеру сгорания жидкое
топливо воспламеняется вследствие
высокой температуры воздуха в кон-
це сжатия; с принудительным зажи-
ганием, в которых воспламенение
горючей смеси происходит в резуль
тате зажигания ее от постороннего
источника (электрической искры),—
карбюраторные и газовые двигатели.
По роду рабочего цикла по ана-
логии с идеальными циклами разли-
чают двигатели: с подводом тепло-
ты при постоянном объеме (V =
= const) —двигатели, имеющие
сравнительно низкую степень сжатия
(е = 5-?7) и принудительное зажига-
ние топлива (карбюраторные и га-
зовые) ; с подводом теплоты при
постоянном давлении (р = const) —
двигатели, имеющие более высокую
степень сжатия (е= 12-?-14), с воз-
душным распиливанием и самовос-
пламенением топлива — компрессор-
ные дизели (в настоящее время
3 Зак. 44 3
65
такие двигатели не применяют); со
смешанным подводом теплоты —
частью при постоянном объеме, а
потом при постоянном давлении —
двигатели с высокой степенью сжа-
тия (е=12-?18)—бескомпрессор-
ные дизели, К этому типу дизелей
относятся современные тепловозные
д.в.с. Таким образом, тепловозные
д.в.с. — это бескомпрессорные дизе-
ли с самовоспламенением топлива
и внутренним смесеобразованием,
работающие на дизельном топливе
по смешанному циклу.
По расположению рабочих ци-
линдров различают двигатели вер-
тикальные, горизонтальные; одно- и
двухрядные; с параллельно располо-
женными цилиндрами и V-образные;
двигатели с расходящимися поршня-
ми (с двумя и более коленчатыми
валами).
По способу охлаждения цилиндров
бывают двигатели с водяным и воз-
душным охлаждением.
Дизельные двигатели, кроме того,
классифицируются по способу напол-
нения рабочего цилиндра. Использу-
ют двигатели без наддува, у которых
всасывание воздуха осуществляется
непосредственно поршнем (четырех-
тактные) или заполнение цилиндра
происходит продувочным воздухом с
давлением, необходимым лишь для
осуществления процесса смены заря-
да (двухтактные), и двигатели с
наддувом, у которых воздух подает-
ся в цилиндр под давлением спе-
циального нагнетателя.
Современные тепловозные двига-
тели представляют собой многоци-
линдровые, двух- или четырехтакт-
ные дизели средней быстроходности,
с водяным охлаждением и, как
правило, с наддувом воздуха. Иногда
применяются и быстроходные четы-
рехтактные дизели.
Согласно стандарту каждый дви-
гатель характеризуется условным
обозначением, включающим в себя
(в последовательном порядке) число
цилиндров; буквы, характеризующие
тип двигателя (Ч — четырехтактный,
Д — двухтактный, Н — с наддувом);
66
численные значения диаметра ци-
линдра и хода поршня (в санти-
метрах в виде дроби). Заводы-изго-
товители, кроме того, обычно при-
сваивают свои условные заводские
обозначения (ПД1, 10Д100, М756
ит. д.). Дизель 10Д100 обозначается
10ДН20,7/2X25,4, дизель 6Д70—
6ЧН24/27, дизель 5Д 49— 16ЧН26/26.
4.2. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ
ДИЗЕЛЕЙ
Образование рабочей смеси и рас-
пыливание топлива. В дизелях пода-
ча топлива и его распыливание в
объеме камеры сжатия цилиндра
осуществляются топливоподающей
системой.
На смесеобразование и сгорание
топлива в каждом цикле рабочего
процесса дизеля отводятся тысячные
доли секунды, в течение которых
топливо, поступив в цилиндр, долж-
но пройти стадию подготовки к вос-
пламенению — капли топлива долж-
ны нагреться, испариться (топливо
горит в парообразном состоянии),
пары топлива должны перемещаться
с воздухом и затем сгореть. Для
полного сгорания необходимо рав-
номерное распределение топлива в
среде сжатого воздуха. Оно дости-
гается распыливанием топлива при
помощи форсунки в объеме камеры
сгорания. Для быстрой подготовки
к воспламенению капли топлива
должны иметь минимальные размеры
и быть однородными по величине.
Дальнобойность струи капель долж-
на быть связана с формой камеры
сгорания. Капли распыленного топ-
лива должны обладать такой кине-
тической энергией, при которой они
не будут концентрироваться у фор-
сунки, но и не будут попадать
на стенки цилиндра и крышки, не
испарившись.
Применяются несколько различ-
ных конструктивных способов обра-
зования рабочей смеси в дизелях.
Дизели с непосредственным (или
струйным) распыливанием топлива.
Топливо впрыскивается форсункой /
(рис. 4.2, а) непосредственно в ка-
меру сжатия цилиндра под высоким
давлением —от 20—30 МПа (в на-
чале впрыска) и до 60—80 МПа.
При выходе из отверстий форсунки
струйки распыленного топлива рас-
ширяются. Средняя плотность их от
одного поперечного сечения к друго-
му меняется; в пределах каждого
сечения в середине струи плотность
больше, чем на ее периферии. В ре-
зультате на внешней поверхности
струи имеется избыток кислорода
воздуха, тогда как в середине струи
его не хватает для горения топлива.
Хорошее качество смесеобразова-
ния при непосредственном (струй-
ном) вводе топлива достигается в
основном соответствием формы каме-
ры сгорания форме и распределению
струй топлива. Достоинствами сис-
темы непосредственной подачи топ-
лива в цилиндр надо считать ма-
лую величину поверхности охлажде-
ния камеры сгорания и хорошие
пусковые качества двигателя. К не-
достаткам струйной системы отно-
сятся: необходимость значительного
избытка воздуха, ухудшение качест-
ва распыливания при снижении час-
тоты вращения коленчатого вала и
высокие давления впрыска, услож-
няющие работу топливной аппара-
туры.
Дизели с вихревыми камерами.
Хорошее смесеобразование при от-
носительно низких давлениях распы-
ливания обеспечивается в двигателях
с вихревыми камерами. Вихревая
камера 2 (рис. 4.2, б) — полость,
расположенная в крышке цилиндра
3, соединяется с внутренним
пространством цилиндра каналом и
составляет часть объема камеры
сжатия. Форсунка 1 установлена в
вихревой камере. В процессе напол-
нения часть массы воздуха посту-
пает через канал в камеру 2 и в
конце сжатия завихривается в ней.
Благодаря завихрению («враще-
нию») воздуха в камере топливо,
впрыснутое форсункой, хорошо пере-
мешивается с воздухом. Недостат-
з*
Рис. 4.2. Схемы способов образования рабо-
чей смеси в дизелях:
а — струйное (непосредственное) распиливание
топлива; б — с вихревой камерой; в — с предка-
мерой
ками этого способа следует считать
сложность устройства цилиндровой
крышки и ее повышенный нагрев, а
преимуществом — малое влияние на
качество смесеобразования измене-
ний нагрузки и частоты вращения
вала двигателя.
Предкамерные дизели. Топливо
распыливается форсункой 1 (рис.
4.2, в) при сравнительно небольшом
давлении — 7—10 МПа — в предка-
мере 4, помещенной в крышке 3 ци-
линдра и отделенной от камеры
сжатия отверстием небольшого диа-
метра.
В такте сжатия воздух из цилиндра
перетекает в предкамеру 4 через ее
отверстие. Топливо, впрыснутое фор-
сункой 1 в предкамеру, воспламе-
няется, и часть его сгорает. Вслед-
ствие этого давление в предкамере
резко возрастает и оказывается выше
давления в остальном объеме цилин-
дра, поэтому продукты сгорания с
большой скоростью выходят из пред-
камеры, увлекая с собой в цилиндр
двигателя и несгоревшую часть топ-
лива, где она догорает. Этим обес-
печивается хорошее перемешивание
топлива с воздухом и его полное
сгорание. Однако пуск такого двига-
теля в холодном состоянии оказы-
вается затруднительным из-за того,
что воздух, проходя через неболь-
шое отверстие в предкамеру, успе-
вает охладиться настолько, что топ-
ливо в нем не воспламеняется.
Поэтому для пуска прибегают к
искусственному зажиганию при по-
мощи спиралей накаливания или
других нагревательных устройств.
Недостатком предкамерных дизелей
67
надо считать также повышенный
расход топлива из-за потерь тепла
и снижения давления при проходе
воздуха и газа через отверстия пред-
камеры.
Продувка двухтактных дизелей.
Без удаления продуктов сгорания
из цилиндров и без заполнения их
каждый раз новым зарядом воздуха
невозможно обеспечить работу дви-
гателя. В четырехтактном дизеле
удаление продуктов сгорания и на-
полнение цилиндра воздухом осу-
ществляются поршнем за два отдель-
ных такта. В отличие от четырех-
тактного дизеля в двухтактном от-
сутствуют впуск и выпуск как само-
стоятельные такты, требующие одно-
го оборота вала. Эти процессы
осуществляются в небольшие перио-
ды двух основных тактов сжатия и
расширения. Поэтому в двухтактных
дизелях продувку и наполнение ци-
линдра осуществляют подачей в
цилиндр предварительно сжатого
воздуха, который вытесняет продук-
ты сгорания и заполняет объем
цилиндра. Простейшая схема про-
дувки (петлевая) представлена на
рис. 4.3, а. Во впускной коллектор
4 нагнетателем непрерывно подается
сжатый воздух. Коллектор сообща-
ется с продувочными окнами 3
в стенках цилиндра. Более высокие
выпускные окна 2 соединяют цилиндр
с выпускной трубой 1. Когда под
давлением продуктов сгорания пор-
шень движется вниз, он сначала
Рис. 4.3. Способы продувки двухтактных дизе-
лей:
а — петлевая; б—прямоточная двухпоршневая
68
своим телом открывает выпускные
окна, чем обеспечивает быстрое па-
дение давления в цилиндре до дав-
ления продувки. После этого начи-
нают открываться продувочные окна.
Этим предотвращается появление
встречного потока газов из цилиндра
во впускной коллектор. При движе-
нии поршня вверх сначала поршень
закрывает продувочные окна, а по-
том — и выпускные. За время откры-
тия продувочных окон объем цилин-
дра заполняется воздухом. Пока вы-
пускные окна не закрылись пол-
ностью, происходит продувка: часть
воздуха выходит из цилиндра; затем
с момента закрытия выпускных окон
и до прихода поршня в в.м.т. проис-
ходит сжатие. Недостатком этой схе-
мы является возможность «застоя»
продуктов сгорания в «углах» ци-
линдра, у крышки.
Лучшая очистка цилиндра полу-
чается при прямоточной продувке,
когда воздух и продукты сгорания
движутся в одном направлении —
прямым потоком. Прямоточная двух-
поршневая продувка осуществляется
в двигателях с противоположно
движущимися поршнями (рис.
4.3,6). Здесь воздух, входя через
продувочные окна 1, движется
сплошным столбом по всему сечению
цилиндра, вытесняя впереди себя
продукты сгорания через выпускные
окна 3. Нижний поршень открыва-
ет выпускные окна 3, а верхний —
продувочные /. Подбором высоты
окон и взаимного расположения
верхнего и нижнего кривошипов
обеспечивается начало выпуска про-
дуктов сгорания раньше начала про-
дувки. Форсунки 2, размещенные в
средней части цилиндра, подают топ-
ливо в камеру сгорания, которая
образуется поршнями в период их
сближения. При расхождении порш-
ней нижний поршень открывает вы-
пускные окна, через которые
продукты сгорания выходят из ци-
линдра. Давление в цилиндре падает.
К этому времени верхний поршень
начинает открывать продувочные ок-
на. Воздух под давлением поступает
в цилиндр, выталкивая продукты
сгорания. В дизелях типа Д100
нижний вал при вращении опере-
жает верхний на 12°, поэтому меж-
ду продувкой и сжатием в этих
дизелях происходит дозарядка ци-
линдра, т. е. продолжается поступ-
ление воздуха в цилиндр после зак-
рытия выпускных окон.
Прямоточную продувку имеет так-
же двухтактный дизель с клапанно-
щелевым газораспределением (см.
рис. 4.1,6). При движении поршня
вниз в конце хода расширения сна-
чала открываются выпускные клапа-
ны 6, через которые продукты сгора-
ния выходят в выпускной коллектор.
После того как часть газов выйдет
из цилиндра, поршень открывает ок-
на It и начинается продувка. Для
лучшей очистки цилиндра от газов
потоку воздуха придают вращатель-
ное движение за счет наклона про-
дувочных окон к оси цилиндра.
Наддув дизелей. Так как работа,
которую можно получить от дизеля
при данных размерах его цилиндров,
находится в прямой зависимости от
количества сжигаемого топлива, а
последнее зависит от массы воздуха
в объеме цилиндра, то для повыше-
ния мощности дизеля применяют
наддув, т. е. подачу в цилиндр
воздуха под давлением выше атмо-
сферного.
Наддув позволяет при том же
объеме цилиндра, а следовательно,
при почти тех же габаритах и массе
двигателя увеличить его мощность в
1,5—2,5 раза. Сжатие и подача в
цилиндры наддувочного воздуха мо-
гут осуществляться либо приводными
(от вала дизеля), либо газотурбин-
ными нагнетателями. Устройство и
работа нагнетателей рассмотрены в
гл. 6. Дизели с газотурбинным надду-
вом представляют собой комбиниро-
ванную теплосиловую установку. Ра-
бочий цикл установки отличается
продолженным расширением продук-
тов сгорания почти до атмосфер-
ного давления в газовой турбине.
Возможны два случая осуществле-
ния продолженного расширения.
В первом случае турбина на впуске
работает в импульсном режиме при
переменном давлении отработавших
газов и при раздельном их выпуске
из каждого цилиндра непосредствен-
но в турбину. Во втором случае
перед турбиной поддерживается пос-
тоянное давление, что достигается
наличием общего выпускного коллек-
тора у дизеля.
Идеальные циклы комбинирован-
ных силовых установок приведены
на рис. 4.4. Цикл при раздель-
ном выпуске /—2—3—4—5—6—7—
8 состоит из следующих процессов:
/—2 — адиабатическое сжатие в
наддувочном агрегате, 2—3 — сжа-
тие в цилиндре дизеля, 3—4—5 —
смешанный подвод тепла, 5—6 —
адиабатическое расширение в цилин-
дре дизеля, 6—7—8 — продолженное
расширение и 8—/ — отвод тепла
при постоянном давлении, заменяю-
щий собой процесс истечения отра-
ботавших газов в атмосферу.
Цикл с постоянным давлением пе-
ред турбиной /—2—3—4—5—6—2—
7—8 отличается тем, что после рас-
ширения в цилиндре происходит от-
вод тепла 6—2 при постоянном объе-
ме, заменяющий собой процесс
выпуска из цилиндра, а затем подвод
того же количества тепла в турбине
при постоянном давлении 2—7.
Круговые диаграммы газораспре-
деления. В действительных рабочих
процессах дизелей в отличие от
идеальных моменты открытия и
закрытия клапанов и подачи топлива
не совпадают по времени с положе-
Рис. 4.4. Идеальные циклы комбинированных
двигателей с продолженным расширением
69
ниями поршня в мертвых точках,
а отклоняются от них. Реальные
фазы газораспределения наглядно
представляются круговыми диаграм-
мами (рис. 4.5).
В четырехтактных дизе-
лях (см. рис. 4.5, а), чтобы обеспе-
чить лучшее наполнение цилиндра
свежим воздухом и осуществить
продувку цилиндра, впускной клапан
начинает открываться заблаговре-
менно— еще тогда, когда кривошип
вала на угол А не дошел до своего
верхнего вертикального положения.
Это опережение открытия впускно-
го клапана (точка /) обеспечивает
его полное открытие к в.м.т.
Запаздывание закрытия впускного
клапана (угол В и точка 2) преду-
сматривают для того, чтобы в конце
хода наполнения клапан был бы еще
достаточно открыт и обеспечивал
проход воздуха в цилиндр по инерции
и тогда, когда поршень начнет дви-
гаться вверх (дозарядка).
Опережение открытия выпускного
клапана (угол С и точка 5) уменьша-
ет работу на выталкивание отра-
ботавших газов поршнем. Период
очистки рабочего цилиндра разделя-
ется на выпуск газов при открыв-
шемся выпускном клапане за счет их
избыточного давления и выталки-
вание газов поршнем при его движе-
нии от н.м.т. к в.м.т. Опережение
открытия выпускного клапана дела-
ется таким,чтобы выпуск закончился
до прихода поршня в н.м.т. и вытал-
кивание протекало с меньшим проти-
водавлением газов на поршень.
Запаздывание закрытия выпускно-
го клапана (угол D и точка 6) обес-
печивает более полную очистку ци-
линдра от остаточных газов. Так как
впускной клапан открывается с опе-
режением (точка /), а выпускной
закрывается с запаздыванием (точ-
ка 6), то во время поворота криво-
шипа на дуге 1—6 оба клапана от-
крыты одновременно, что обеспечи-
вает продувку цилиндра и очистку
его от газов.
Так как необходимо некоторое вре-
мя для подготовки топлива к само-
BMlltlll Сжатие
&&&%) топлива и расширение
I I Свододныи выпуск газов
llllllllli Принужденный выпуск газов
t- -j Дозарядка
Наполнение
Горение топлива и расширение газов
Выпуск
Сжатие
Рис. 4.5. Круговые диаграммы газораспределения:
а — четырехтактного дизеля; б — двухтактного дизеля с противоположно движущимися поршнями
70
воспламенению, то его подача начи-
нается не в начале рабочего хода, а
в конце сжатия за угол К (точка 3)
до прихода кривошипа в в.м.т. Этот
угол называется углом предварения
(опережения) подачи топлива. Пода-
ча топлива заканчивается в точке 4.
Двухтактные дизели с противопо-
ложно движущимися поршнями. От-
счет углов на диаграмме газораспре-
деления дизеля типа Д100 (рис.
4.5, б) ведется по положению криво-
шипа нижнего поршня от внутренней
мертвой точки (в.м.т.). При движе-
нии поршня вниз выпускные окна на-
чинают открываться (точка 5), когда
кривошип не дошел на определенный
угол — 56° — до наружной мертвой
точки (н.м.т.). С этого момента в
течение времени поворота кривошипа
на 16° происходит свободный выпуск
газов из цилиндра.
За 40° до н.м.т. (нижнего порш-
ня) верхний поршень открывает про-
дувочные окна (точка 6) и на про-
тяжении 96° поворота кривошипа
осуществляется продувка цилиндра.
Продувка прекратится после пово-
рота на 56° за н.м.т. (точка /) при
закрытии выпускных окон. Продувоч-
ные окна после этого еще открыты:
происходит дозарядка цилиндра в те-
чение поворота кривошипа на 8°. С
этого момента (точка 2) начинается
сжатие. Топливо подается в цилиндр
также с некоторым опережением
(точка 3).
4.3. РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ
ДИЗЕЛЕЙ
Рабочий процесс бескомпрессор-
ных тепловозных дизелей практичес-
ки почти соответствует идеальному
смешанному циклу, при котором
часть топлива сгорает при почти
неподвижном поршне, т. е. при пос-
тоянном объеме, а другая часть —
в начале перемещения поршня, т. е.
при почти постоянном давлении.
Наглядное представление о рабо-
чих процессах дизеля дает расчетная
диаграмма рабочего цикла в коорди-
натах р — V (по оси абсцисс откла-
дываются текущие значения объема
цилиндра V, а по оси ординат —
соответствующие им величины давле-
ния в цилиндре р). Для оценки ка-
чества работы дизеля при помощи
специального прибора — индикато-
ра—снимается так называемая раз-
вернутая индикаторная диаграмма, в
которой давления в цилиндре фикси-
руются в соответствии с углами
поворота коленчатого вала (п.к.в).
Такая диаграмма может быть пере-
считана и изображена также в коор-
динатах р — V. Проследим по инди-
каторным диаграммам протекание
рабочих циклов четырехтактного
(рис. 4.6, а) и двухтактного (рис.
4.6, б) дизелей. Пунктирные линии
на диаграммах показывают протека-
ние процессов теоретического цикла.
Моменты открытия и закрытия кла-
панов (или окон) и начала подачи
топлива обозначены теми же цифра-
ми, что на рис. 4.5.
В четырехтактном дизеле длитель-
ность процесса наполнения 1—г—
6—а—2 (см. рис. 4.6, а) достаточна,
чтобы обеспечить очистку цилиндра
от остатков отработавших газов и
получить нужный заряд воздуха для
сгорания топлива. В двухтактных ди-
зелях наполнение цилиндра воздухом
и удаление продуктов сгорания
происходят за более короткий про-
межуток времени (6—а—2 на рис.
4.6,6).
Сжатие воздуха 2—с происходит
по политропическому процессу. Дав-
ление сжатия рс в современных ди-
зелях достигает значения 6 МПа, а
температура Тс — 900 К.
Горение топлива с—у—z—4 проис-
ходит в два этапа: сначала при услов-
но-постоянном объеме (линия с—у),
а потом при условно-постоянном дав-
лении (линия у—z). В точке z дав-
ление в цилиндре рг достигает 8—11
МПа, температура конца сгорания
7\= 1800-^2100 К.
Отношение максимального давле-
ния сгорания рг к давлению конца
сжатия рс определяет степень повы-
шения давления X.
71
Рис. 4.6. Диаграммы рабочих циклов дизелей:
а — четырехтактного; б — двухтактного
Расширение газов z—5 происхо-
дит также по политропическому про-
цессу. Топливо, не успевшее сгореть
в период с—y—z, продолжает дого-
рать на участке процесса расшире-
ния z—4. Отношение объема газа
Vz в конце процесса горения к объему
камеры сжатия Vc называется сте-
пенью предварительного расширения
р. Отношение полного объема ци-
линдра Va к объему цилиндра в конце
горения Vz называется степенью пос-
ледующего расширения б.
Рис. 4.7. Развернутая индикаторная диаграм-
ма процесса горения топлива — давление в
цилиндре в зависимости от угла ср поворота
коленчатого вала от в. м. т.
72
Выпуск отработавших газов 5—1.
В четырехтактном дизеле на всем
протяжении процесса выталкивания
отработавших газов их давление в
цилиндре остается почти неизмен-
ным: выше атмосферного, но ниже
давления воздуха при впуске (см.
рис. 4.6, а, линия г—6—а).
В двухтактном дизеле после откры-
тия выпускных окон (точка 5, см.
рис. 4.6, б) давление в цилиндре
падает. Подача воздуха через про-
дувочные окна (точка 6) не повыша-
ет давления в цилиндре и после того,
как поршень пройдет н.м.т. и начнет-
ся такт следующего цикла. Давление
нарастает лишь после закрытия вы-
пускных окон (точка /).
Процесс сгорания происходит на
небольшом участке хода поршня у
в.м.т., когда поршень имеет неболь-
шую скорость движения. Поэтому
процесс сгорания нагляднее можно
изобразить на развернутой диаграм-
ме, построенной по углу поворота
коленчатого вала ср (рис. 4.7). Такая
диаграмма позволяет судить о време-
ни протекания горения, так как ко-
ленчатый вал вращается равномерно.
Условно процесс горения можно раз-
делить на четыре фазы.
Фаза / — период задержки воспла-
менения (участок b—с) составляет
всего 0,001—0,005 с и соответствует
10—16° п.к.в. Чем больше период
задержки воспламенения, тем боль-
ше топлива поступит в цилиндр до
появления первых очагов воспламе-
нения.
Фаза // — период воспламенения
и сгорания топлива, впрыснутого за
/ и частично // фазы (участок
с—у). В начале горения в камере
сжатия много свободного кислорода,
отчего пламя быстро распространяет-
ся по всему объему камеры сжатия,
происходит интенсивное выделение
теплоты и давление газов резко по-
вышается при почти постоянном
объеме. Отношение приращения дав-
ления от начала сгорания (точка
с) до в.м.т. к углу поворота коленча-
того вала за это время называется
жесткостью работы двигателя. Жест-
кость повышается при увеличении пе-
риода задержки воспламенения топ-
лива. Она не должна быть больше
0,2—0,3 МПа на 1° п.к.в.
Фаза /// — продолжение горения
(участок у—г). Сгорает топливо, по-
данное во // фазе и частично в
/// фазе. Капли топлива находятся
в среде, насыщенной продуктами сго-
рания, поэтому интенсивность сгора-
ния несколько уменьшается.
Фаза IV — догорание топлива на
линии расширения (участок z—d).
Период догорания наблюдается у
многих двигателей, причем у быстро-
ходных он длиннее, чем у тихоход-
ных. При уменьшении нагрузки дви-
гателя период догорания уменьшает-
ся. Догорание топлива вызывает по-
вышение температуры отработавших
газов.
4.4. МОЩНОСТЬ
И ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДИЗЕЛЯ
За один цикл в цилиндре совер-
шается полезная работа, соответст-
вующая на индикаторной диаграм-
ме (рис. 4.8) площади, ограничен-
ной линиями сжатия, сгорания и рас-
Рис. 4.8. Определение характеристик цикла по
индикаторной диаграмме
ширения. Площадь же, ограничен-
ная линиями впуска и выпуска, обыч-
но из-за ее малой величины не учи-
тывается. Площадь индикаторной
диаграммы можно заменить равнове-
ликим по площади прямоугольником
/—2—3—4 с тем же основанием.
Тогда высота этого прямоугольника
будет условным, постоянным в те-
чение хода давлением. Его так и
называют средним индикаторным
давлением. Среднее индикаторное
давление р, — это такое условное
постоянное давление, которое, дей-
ствуя на протяжении одного хода
поршня, совершает работу, равную
индикаторной работе L, за весь цикл.
Полезная работа газов в цилиндре,
называемая индикаторной работой,
за цикл будет равна Li=Vhpu Дж.
Так как p, = L,/Vft, Па, то, другими
словами, pt есть работа газов за цикл,
отнесенная к единице рабочего объе-
ма цилиндра. Мощность М, разви-
ваемая газами в цилиндрах двигате-
ля, называется индикаторной. Если
измерить ее в кВт, то
Р, Т.лг
N. =
' 30 • 103т
(4-1)
где р, — среднее индикаторное давление,
Па; п — частота вращения, об/мин;
Vh — рабочий объем, м3; т — тактность
(число тактов за цикл) двигателя (для
четырехтактного т = 4, для двухтактного
т = 2); z — число цилиндров двигателя.
73
Индикаторная мощность, разви-
ваемая газами в цилиндрах двига-
теля, при передаче на коленчатый
вал двигателя частично затрачива-
ется на трение поршней в цилиндрах,
трение в подшипниках и на работу
топливных, масляных и водяных на-
сосов, воздушного нагнетателя и дру-
гих агрегатов и узлов, размещенных
на двигателе, обслуживающих его и
имеющих привод от его коленчатого
вала.
Эти затраты работы называются
механическими потерями LM и соот-
ветствующая им мощность — мощ-
ностью механических потерь N„.
Если представить работу потерь в ви-
де LK = Vhp», то величину ри можно
назвать средним давлением механи-
ческих потерь (см. рис. 4.8).
Мощность, снимаемая с коленчато-
го вала двигателя внутреннего сго-
рания, называется эффективной
мощностью. Она равна Ае = А,—
— NM. При определении N? вводят
понятие о среднем эффективном дав-
лении ре.
Эффективная работа за цикл £е =
= Lt — LM = (pi—pK)Vh = peVh, откуда
Ре == Pi Рм-
Среднее эффективное давление
представляет собой условное пос-
тоянное давление, которое, действуя
на поршень в течение одного хода
поршня, совершает работу, равную
эффективной работе за цикл. Иными
словами, это эффективная работа за
цикл, отнесенная к объему цилиндра
(pe — Le/Vh). Среднее эффективное
давление характеризует полезную
работу двигателя с учетом не только
тепловых потерь (они учитываются
р,), но и механических.
Эффективная мощность Ne подсчи-
тывается так же, как и индикатор-
ная, но вместо среднего индикатор-
ного давления р; в формулу под-
ставляется значение среднего эффек-
тивного давления ре.
Анализ формулы мощности двига-
теля (4.1) позволяет дать сравни-
тельную оценку двух- и четырехтакт-
ных дизелей.
В двухтактном двигателе по срав-
74
нению с четырехтактным при одина-
ковых размерах цилиндров и равной
скорости вращения за одно и то же
время происходит вдвое больше ра-
бочих циклов и теоретически может
быть получена вдвое большая мощ-
ность. В действительности же из-за
недоиспользования части хода порш-
ня, занятой окнами, затрат мощ-
ности на продувку и несовершенство
очистки цилиндра от газов мощность
двухтактного цикла при одинаковых
параметрах процесса превышает
мощность четырехтактного не в 2, а
примерно в 1,5—1,7 раза.
Наряду с повышенной мощностью
двухтактные двигатели имеют боль-
шую равномерность вращения ко-
ленчатого вала и более простой газо-
распределительный механизм. Благо-
даря указанным преимуществам на
тепловозах широко применяют двух-
тактные двигатели. Однако форсиро-
вание мощности при ограниченных
габаритах легче осуществить в четы-
рехтактном цикле из-за возможности
использовать простую схему турбо-
наддува и меньшей теплонапряжен-
ности дизеля. У четырехтактных ди-
зелей с наддувом удалось получить
лучшие параметры теплового про-
цесса и больший к.п.д., а значит, и
меньший расход топлива, чем у двух-
тактных.
По этим причинам на современ-
ных и перспективных мощных тепло-
возах предусматривается использо-
вание четырехтактных дизелей.
Индикаторный, механический и
эффективный к.п.д. Отношение коли-
чества теплоты, преобразованного в
работу газов в цилиндре двигателя,
к количеству теплоты, введенному в
двигатель с топливом, называется
индикаторным к.п.д. двигателя тр.
Если на 1 кВт в 1 ч расходуется
gi, кг, топлива, а теплота сгора-
ния топлива Q„, кДж/кг, то коли-
чество теплоты, введенной в цилиндр
в расчете на 1 кВт в 1 ч, равно giQH,
кДж. Работа 1 кВт в 1 ч эквивалент-
на 3600 кДж. Тогда тр = . Зна-
чения индикаторного к.п.д. дизелей
находятся в пределах 0,44—0,50.
Отношение эффективной мощности
к индикаторной называется механи-
ческим к.п.д.: т)м = Ме/М-- Для совре-
менных дизелей г]м = 0,80 — 0,88. Ме-
ханический к.п.д. обычно увеличива-
ется с повышением нагрузки двига-
теля.
Отношение количества теплоты,
эквивалентного эффективной работе
дизеля, к количеству теплоты, под-
веденному с топливом, называется
эффективным к.п.д. дизеля и обозна-
чается щ:
где ge — удельный эффективный расход
топлива, кг/(кВт-ч).
При оптимальной нагрузке дизеля
т]е = 0,39-г-0,43.
Эффективный, индикаторный и ме-
ханический к.п.д. связаны между
собой: т]е.= г)1Т]м.
Для оценки эффективности работы
д.в.с. часто вместо к.п.д. двигателя
используют величину удельного эф-
фективного расхода топлива
т. е. расхода топлива на единицу
его полезной (эффективной) работы
[в кг/(кВт-ч) или кг/(л.с.-ч)].
Удельный расход определяется экспе-
риментально при испытаниях двига-
теля: измеряется общий расход топ-
лива G дизелем за единицу времени
(кг/ч) при работе с постоянной мощ-
ностью Ne (кВт). Тогда ge=G/Ne
(кг/(кВт>ч) или кг/(л.с.-ч)].
Современные тепловозные дизели
на расчетных режимах имеют удель-
ные расходы топлива ge на уровне
200—220 г/(кВт-ч) [150—160
г/ (л.с. • ч.) ].
4.5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДИЗЕЛЯ
Для анализа качества работы теп-
ловых двигателей используется поня-
тие о тепловом балансе, т. е. распре-
делении и использовании внутренней
химической энергии, содержащейся
в топливе, поступившем в двига-
тель.
Потенциальная энергия топлива
QT лишь частично преобразуется в
полезную механическую работу Q?,
значительная часть энергии теряется
в разных формах: в виде потерь тепла
с отработавшими газами Qr, с охлаж-
дающей водой (2в, на нагревание
масла QK и прочие потери Qnp, напри-
мер потери от недогорания топлива,
потери теплоты в окружающую среду
и т. п.
Тепловой баланс выражается
уравнением
Qi — Qr4- Qb-f— Qm + Qnp. (4.3)
Составляющие теплового баланса могут
быть выражены различными способами:
1) в абсолютных величинах количеств
энергии (теплоты). В этом случае рассматри-
вается распределение энергии топлива,
израсходованного в данном двигателе за
единицу времени (либо распределение энер-
гии единицы массы топлива). В этом случае
размерностью всех членов уравнения (4.3)
будет размерность энергии или работы —
Дж или кДж — или мощности — Вт или кВт;
2) в удельных величинах. Если отнести
все затраты энергии в уравнении (4.3) к
единице полезной работы двигателя, напри-
мер кВт.ч, получим уравнение удельного
теплового баланса:
qT = qe + qr + q, + q» + qw (4-4)
в котором все слагаемые будут безразмер-
ными;
3) в относительных величинах. Разделив
в уравнении (4.3) все члены на QT, в урав-
нении (4.4) — на <ут, получим уравнение теп-
лового баланса в относительном виде:
l = qe+qr + qB + q« + qnp. (4.5)
Здесь каждое слагаемое представляет со-
бой относительную долю тех или иных затрат
энергии топлива^ В этом случае, в частности,
составляющая qe равна эффективному к.п.д.
дизеля Г|е. Баланс в относительных величинах
может быть выражен в процентах.
Определим составляющие удельного тепло-
вого баланса по уравнению (4.4).
Количество энергии (теплоты), введенной
в двигатель с топливом, в расчете на еди-
ницу его полезной работы
<7т = ^<?н. (4.6)
Теплота сгорания (теплотворная спо-
собность) Q« дизельного топлива составля-
ет 41900—42 300 кДж/кг. Следовательно,
при удельном расходе топлива £«. = 0,2-4-0,22
кг/(кВт-ч) величина q- — 8380-4- 9300
кДж/(кВт-ч) или, учитывая, что 1 кВт-ч =
= 3600 кДж, в безразмерном виде <?т =
= 2,33-4-2,585.
75
Часть энергии топлива, преобразованная
в полезную работу, </<. = 3600 кДж/(кВт*ч)
или в безразмерном виде qr=\.
Потери энергии с отработавшими газами,
вследствие того что их температура Тг и
теплоемкость тс" отличаются от значений
таковых у свежего заряда воздуха {7"« и
«Ср), можно определить разностью
</г»^(М2с;Тг-М|СрТ'к), (4.7)
где М। и М2 — соответственно количества
свежего заряда воздуха и продуктов сгора-
ния, полученных при сгорании 1 кг топли-
ва, кг* моль.
Количество теплоты, отведенной с охлаж-
дающей водой от дизеля,
q, = ctG,(t2. — t\3)/Ne, (4.8)
где св — теплоемкость воды, св = 4,187
кДж/(кг*К); G,— расход охлаждающей во-
ды, кг/ч; /и и /2в — температуры воды соот-
ветственно на входе в дизель и на выходе
из него.
Потери теплоты на нагревание смазочно-
го масла
</4 = c„G„(/2m — /i„) /Ne, (4.9)
где cu, GM, tim и /2м — соответственно тепло-
емкость, расход и температуры, аналогичные
рассмотренным в предыдущей формуле, но
относящиеся к маслу дизеля [с„ = 2,05
кДж/(кг*К)]
Остаточный член теплового баланса q„p
не может быть определен расчетом, так
как к прочим потерям относится ряд различ-
ных и трудно определимых потерь энергии,
таких, как рассеивание тепла в окружающую
среду, неполнота сгорания топлива, кинети-
ческая энергия выхлопных газов и т. д. Поэ-
тому данное слагаемое при анализе экспери-
ментальных данных определяется как раз-
ность между левой частью уравнения (4.4)
и четырьмя слагаемыми правой части, рас-
считываемыми по приведенным выше форму-
лам (4.6—4.9). В результате в прочие потери
</Лр включаются и все погрешности, связан-
ные с неточностью измерений и подсчетов
остальных элементов теплового баланса.
Тепловой баланс обычно рассчиты-
вается для номинального режима ра-
боты дизеля.
4.6. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЕЙ
Тепловозные двигатели работают в
эксплуатации на переменных режи-
мах по мощности от полной нагрузки
(номинальной мощности) до холос-
того хода. Частота вращения колен-
чатого вала также может изменяться
машинистом в зависимости от необ-
76
ходимои величины мощности при
движении тепловоза с поездом.
Графические зависимости основ-
ных показателей работы дизеля (его
мощности, момента, к.п.д., расхода
топлива и т. д.) от параметров,
определяющих режим работы (часто-
та вращения вала, положение регу-
лирующих органов и т. п.), назы-
ваются характеристиками двигателя.
Характеристики двигателей опреде-
ляются при установшихся режимах
работы на специальных испытатель-
ных стендах, обеспечивающих полное
использование энергии дизеля во
всем диапазоне его нагрузок и имею-
щих необходимую измерительную
аппаратуру.
Основными из характеристик дизе-
ля являются его скоростные харак-
теристики, т. е. зависимости эффек-
тивной мощности дизеля Ne (момента
Ме) от частоты вращения вала п при
определенной (установленной) пода-
че топлива за цикл (при неизменных
положениях рейки топливных насо-
сов). При определении скоростных
характеристик подразумевается, что
частота вращения п меняется имен-
но вследствие изменения нагрузки на
двигатель. В зависимости от коли-
чества фиксированных положений
регулирующего органа топливопода-
чи (рукоятки контроллера машинис-
та) дизель может иметь соответ-
ствующее число скоростных характе-
ристик — например, кривые /—5 на
рис. 4.9, а. Скоростная характеристи-
ка /, проходящая через точку но-
минального режима A (Ne ном, пном),
называется внешней характеристи-
кой. Она показывает наибольшие
возможные значения эффективной
мощности дизеля, которые можно
получить при соответствующих п и
постоянной максимальной настройке
топливоподачи. Название «внешняя»
принято потому, что она является
как бы внешней границей контура
б—а—А—Б, в котором могут нахо-
диться точки всех возможных для
данного дизеля рабочих режимов.
Кривые 2—5 на рис. 4.9, а назы-
ваются частичными скоростными
характеристиками. В диапазоне, ог-
раниченном внешней характеристи-
кой, может быть получено любое
число частичных характеристик, ко-
торое связано с числом возможных
настроек топливоподающей системы
на неполную (частичную) подачу.
Штриховое продолжение внешней
характеристики вправо от точки А
является условным, оно показывает
возможный характер этой зависи-
мости при п> пНО1Л. Однако по этой
части характеристики дизель не мо-
жет и не должен работать по двум
причинам. Во-первых, его конструк-
ция по прочности и долговечности
рассчитана из условия пмакс = пном.
Во-вторых, эффективность рабочего
процесса при п> nmv оказывается
низкой и неприемлемой по экономиче-
ским соображениям. Дело в том, что
с увеличением п резко возрастает
мощность механических потерь )VM,
составляющие которой пропорцио-
нальны второй и третьей степеням п.
Поэтому быстро наступает момент,
когда механические потери сравня-
ются по величине с индикаторной
мощностью дизеля. Эффективная
мощность дизеля Ме=Л/, —АД при
этом становится равной нулю (точка
В на рис. 4.9, а). Если на внешней
характеристике такой момент может
наступить лишь условно, так как
он находится далеко за пределами
допустимых значений п, то на частич-
ных характеристиках этот момент мо-
жет наступить и в рабочем диапазоне
частот вращения вала (см. кривую
5 на рис. 4.9, а).
Таким образом, внешняя характе-
ристика показывает максимальные
значения мощности, которые дизель
может развить при номинальной и
частичных скоростях вращения его
вала. Величина же мощности дизеля,
которую можно использовать на теп-
ловозе при каждом конкретном зна-
чении п, зависит от характеристик
передачи. Естественно, что конструк-
ция передачи должна быть рассчи-
тана так, чтобы можно было исполь-
зовать максимальное значение мощ-
ности дизеля Ne при п НОМ* Следова-
тельно, в точке А (рис. 4.9, б) внеш-
няя характеристика 1 должна совпа-
дать с характеристикой передачи,
т. е. мощность, развиваемая дизелем,
должна быть равна мощности, пот-
ребляемой передачей. На частичных
режимах вращения вала величина
потребляемой мощности зависит от
свойства и настройки передачи. При
электрической передаче мощность
тягового генератора примерно (если
пренебречь изменением к.п.д.) про-
порциональна частоте вращения яко-
ря и, следовательно, коленчатого
вала дизеля. Поэтому линия 6, на-
зываемая генераторной характерис-
тикой, показывает величину мощнос-
ти дизеля, которая реализуется на
тепловозах с электрической переда-
чей при работе дизеля на номиналь-
ной и пониженных частотах враще-
ния его вала.
При гидравлической передаче наг-
рузка дизеля осуществляется по так
называемой винтовой характеристи-
ке (кривая 7).
77
Тепловозные дизели работают в
диапазоне частоты вращения вала от
nmin до Пном, но не при любых значе-
ниях п, а при определенных, фик-
сированных значениях, которые уста-
навливаются машинистом в соответ-
ствии с положением (позицией)
рукоятки его контроллера. Таких
фиксированных позиций бывает
обычно на тепловозе от 8 до 15.
Поэтому фактически в установив-
шемся режиме двигатель всегда ра-
ботает с неизменной частотой враще-
ния, и если меняется нагрузка, то
его мощность изменяется (благода-
ря работе регулятора дизеля) при
постоянном п в пределах от мак-
симального значения для данного
п, ограничиваемого генераторной ха-
рактеристикой, практически до ну-
ля — при переходе на холостой ход.
Поэтому вертикальная линия АБ (см.
рис. 4.9,6), соответствующая воз-
можному изменению нагрузки при
п„ом, называется нагрузочной харак-
теристикой дизеля при номиналь-
ной частоте вращения вала. Нагру-
зочных характеристик у дизеля мо-
жет быть столько, сколько имеется
фиксированных значений п. На рис.
4.9, а показаны вертикальные ли-
нии нагрузочных характеристик,
соответствующих частотам вращения
ВЯЛЯ Hmin» ^1 ^4, ^ном*
Г л а в a 5. ТЕПЛОВОЗНЫЕ ДИЗЕЛИ
5.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ,
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И МОЩНОСТНЫЕ РЯДЫ ДИЗЕЛЕЙ
Экономичность работы тепловоза
определяется его основной силовой
установкой — дизелем. Дизель теп-
ловоза должен обладать высокой
экономичностью, надежностью и вы-
сокой степенью автоматизации его
работы. Эти основные требования к
конструкции дизеля направлены на
экономию затрат на топливо, техни-
ческое обслуживание, ремонт и про-
чие расходы в процессе его эксплуа-
тации.
Экономичность дизеля — это его
способность работать с малыми
удельными расходами топлива и мас-
ла в широком диапазоне эксплуата-
ционных нагрузок от холостого хода
до номинальной мощности. Совре-
менные дизели имеют удельный рас-
ход топлива ge на номинальной мощ-
ности ЛСОМ 200—220 г/кВт-ч. Удель-
ный расход топлива при на-
грузках, составляющих 75 и 50 % от
А^ном, не должен превышать соответ-
ственно значений, составляющих 105
и 112% от ge на номинальной
мощности. Для дизелей со свободным
турбокомпрессором соответственно—
105 и 110% от ge на номиналь-
ной мощности.
Степень надежности дизеля опре-
деляется его способностью длительно
работать без отказов на всех
эксплуатационных режимах при сле-
дующих условиях окружающей сре-
ды: температура воздуха, окружаю-
щего дизель от 5 до 50 °C, темпе-
ратура наружного воздуха от —40
до +40 °C, высота над уровнем мо-
ря до 2000 м. К показателям на-
дежности относятся моторесурс дизе-
ля и его основных узлов и деталей,
а также число отказов на 1 млн
км пробега. Установленным (назна-
ченным) заводами-изготовителями
ресурсам должна соответствовать пе-
риодичность технического обслужи-
вания и ремонта тепловозов: ресурс
до переборки дизеля — пробег теп-
ловоза до текущих ремонтов ТР-2
или ТР-3, ресурс до капитального
ремонта дизеля — пробег тепловоза
до заводского ремонта (ЗР), ресурс
непрерывной работы дизеля — про-
бег тепловоза до технического обслу-
живания (ТО-3). Тепловозы выпус-
каются с дизелями, имеющими гаран-
тийные пробеги между техническими
обслуживаниями 7—10 тыс. км, до
переборки —150—250 тыс. км и до
капитального ремонта —750—1200
тыс. км.
Автоматизация работы и управле-
ния облегчает обслуживание дизелей
в эксплуатации и уменьшает коли-
чество обслуживающего персонала.
Дизели оборудуют регуляторами час-
тоты вращения коленчатого вала,
предельными выключателями и сис-
темами автоматического регулирова-
ния температуры воды и масла.
Тепловозные дизели должны обла-
дать контроле- и ремонтопригод-
ностью. Вместе с надежностью эти
два качества определяют расходы на
техническое обслуживание и ремонт
дизелей в эксплуатации. Контроле-
пригодность дизеля — свойство, за-
ключающееся в его приспособлен-
ности к контролю работоспособности,
к поиску неисправностей и прогнози-
рованию технического состояния. Ре-
монтопригодность дизеля — свойст-
во, заключающееся в его приспособ-
ленности к быстрой и удобной раз-
борке и сборке всех ответственных
узлов и деталей, а также к ремонту
этих узлов и деталей.
Специальные требования к тепло-
возному дизелю определяются специ-
фикой конструкции тепловозов, огра-
79
ниченной габаритами подвижного
состава, нагрузками на ось и особен-
ностями условий их работы. К ним
относятся небольшие габаритные
размеры и масса как самого дизеля,
так и вспомогательного оборудова-
ния, установленного вне дизеля,
необходимого для его работы. Для
тепловозов мощностью более 2500 кВт
приемлемые габаритные размеры
и удельные массы на уровне 5—
8 кг/кВт достигаются при V-образ-
ной конструкции дизеля с диа-
метром цилиндра примерно 250—
300 мм. Одно из важных эксплуата-
ционных требований к дизелю —
безотказный пуск как горячего, так
и холодного двигателя при наимень-
шей затрате энергии от постороннего
источника (аккумуляторная батарея,
сжатый воздух) при температуре
воды, масла и топлива не более
8 °C. Как исключение, допускается
обеспечение пуска при температуре
выше 8 °C, но не более 15 °C.
Основные технические требования
к тепловозным дизелям регламенти-
рованы ГОСТ 10150—88 «Дизели
Основные параметры Значения параметров
2Д100 10Д100 14Д40 11Д45 1А-5Д49 2А-5Д49
Обозначение юдн ЮДН ЮДН 16ДН 16ЧН 16ЧН
20,7/25,4X2 23/30 26/26
Серия тепловоза ТЭЗ 2ТЭ10 М62 ТЭП60 2ТЭ116 ТЭП70
Номинальная мощность, кВт 1470 2210 1470 2210 2210 2940
Частота вращения коленчатого вала, об/мнн 850 850 750 750 1000 1000
Средняя скорость поршня, м/с 7,2 7,2 7,5 7,5 8,67 8,67
Объем цилиндров, л Расположение цилиндров 170,9 Вертикал 170,9 ьное с 150,6 200,75 220,8 220,8
Габаритные размеры, м: расходя щимися поршнями V-образное, угол 45
длина 6,825 6,705 5,607 6,444 6,187 6,213
ширина 1,730 2,610 1,818 1,950 2,090 2,100
высота 3,350 3,265 2,508 2,600 2,972 2,902
Масса дизель-генератора, т 27,0 28,0 21,4 23,4 24,5 26,0
Удельная масса дизеля, кг/кВт 13,2 8,8 8,5 6,3 7,25 6,3
Удельный расход топлива, г/(кВт-ч) 240 218 218 231 204 2)1
Степень сжатия е 15,1 15,1 14,5 13,5 13,4 13,4
Максимальное давление сгора- ния, МПа 8,8 10,0 11,0 11,2 11,5 13,0
Давление наддува, кПа 35 115 105 123 135 180
Температура выпускных газов, °C 420 430 470 470 580 600
Опережение подачи топлива, °п.к.в. Фазы газораспределения, ° п.к.в. впуск: 16±1 10± 1 20 ± 1 20±1 23 25 — 26
опережение открытия 40 40 44 44 55 57
запаздывание закрытия выпуск.: 64 64 44 44 30 28
опережение открытия 56 56 84 84 50 59,5
запаздывание закрытия Топливные насосы: 56 56 52 52 35 40,5
диаметр плунжера, мм 13 13 17 17 17 17
ход плунжера, мм Форсунки: 15,9 15,9 16 16 22 22
давление начала впрыскива- вания, МПа 21,0 21,0 32,0 32,0 32,0 32,0
число отверстий 3 3 7 7 9 9
диаметр отверстий, мм 0,56 0,56 0,4 0,4 0,4 0,4
80
стационарные, судовые, тепловозные
и промышленные. Технические требо-
вания». Стандартом предусматри-
ваются также требования, обеспечи-
вающие удобство эксплуатации, без-
опасность работы и эстетику внеш-
него вида.
Основные параметры и конструк-
ции тепловозных дизелей. Все тепло-
возные двигатели относятся к бес-
компрессорным дизелям с внутрен-
ним смесеобразованием, самовоспла-
менением и водяным охлаждением.
Для этих дизелей характерно приме-
нение газотурбинного наддува и
промежуточного охлаждения возду-
ха, что позволяет достигнуть эффек-
тивных давлений до 1,0 МПа у
двухтактных и 1,4—1,8 МПа у четы-
рехтактных дизелей. Рабочий про-
цесс этих дизелей происходит с
высоким давлением наддува —0,12—
0,18 МПа и с высокими степенями
сжатия и расширения при коэффи-
циентах избытка воздуха в цилиндре
около 1,8—2,5 и с максимальными
давлениями сгорания до 8—12 МПа.
Все тепловозные дизели относятся
Таблица 5.1
для дизелей
2Д70 2Д50 ПД1М М753 М756 6S310DR K6S310DR XVIJV 12VFE 1Д12
16ЧН 64 Н 64 н 124Н 124Н 64 64Н 164 124Н 124
24/27 31,8/33 31,8/33 18/20 18/20 31/36 31/36 17/24 17/24 15/18
2ТЭ116 ТЭМ1 ТЭМ2 ТГМЗ ДР1 4МЭ2 4МЭЗ ВМЭ1 Д1 ТУ2
2210 735 880 550 735 550 990 440 540 220
1000 740 750 1400 1500 750 750 1100 1250 1500
9,0 8,15 8,15 9,3 10,0 9,0 9,0 8,8 10,0 9,0
197,68 157,2 157,2 62,4 62,4 163,2 163,2 63,4 63,4 38,8
V-образ- Вертикальное, V-образное, Вертикальное, V-образное, V-об-
ное, угол 42° рядное угол 60° рядное угол 50° 40° раз- ное» угол 60°
6,465 5,069 5,257 2,270 2,420 4,750 5,125 4,910 3,210 1,852
1,930 1,467 1,585 1,210 1,220 1,512 1,530 1,522 1,300 1,085
2,960 2,478 2,479 1,200 1,480 3,020 2,844 1,626 1,710 1,275
26,0 21,7 22,5 1,6 1,8 16,06 18,12 9,5 4,6 1,84
7,9 23,4 19,4 3,0 2,4 19,1 13,6 12,3 8,6 8,4
204 248 224 245 221J8 224 220 238 228 258
12,8 12,5 12,5 13,5 13,5 15,5 13,0 13,5 12,5 14,5
11,5 5,8 7,0 8,5 8,5 7,3 9,0 5,8 8,0 8,5
150 30 60 20 60 ..._ 60 — 90 —
550 470 470 460 460 520 480 490 550 480
20±1 29 ± 1,5 23±1,5 28±1 27±1 28 24 21 ± 1,5 21 ±1,5 25± 1
35 80 74 50 50 14 80 10 69 20
40 35 41 56 56 42 35 35 35 48
40 50 66 56 56 42 45 55 53 48
13 54 74 50 50 14 55 5 59 20
16 20 20 13 13 20 20 14 14 10
22 20 20 12 12 20 20 2,45 2,45 10
28,0 27,5 27,5 20,0 20,0 27,0 30,0 2,5 2,5 21,0
8 9 9 8 8 8 9 1 1 7
0,4 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,4 1,23 1,45 0,25
81
к среднебыстроходным дизелям со
средними скоростями поршней 7—
10 м/с; по частоте вращения колен-
чатого вала они могут быть разделе-
ны на две группы: первая — до
1000 об/мин и вторая — от 1000 до
1500 об/мин. Основные сведения о
дизелях магистральных и маневро-
вых тепловозов приведены в табл.
5.1.
Дизели типа Д100 (рис. 5.1) —
десятицилиндровые, двухтактные с
прямоточно-щелевой продувкой и
расходящимися поршнями. Блок 2
дизеля установлен на поддизельную
раму /. В верхней части блок
закрыт съемной крышкой 8 со смот-
ровыми люками. В блоке дизеля вер-
тикально в ряд установлены десять
втулок 7 цилиндров. Втулки цилинд-
ров в средней части имеют три
отверстия под установку двух форсу-
нок 5 и индикаторного крана. В
блоке в коренных подшипниках 9
уложен верхний коленчатый вал 10,
а в коренных подшипниках 18—ниж-
ний коленчатый вал 17. Коленчатые
валы связаны между собой верти-
кальной передачей. От нижнего ко-
ленчатого вала суммарная мощность
передается генератору. В каждой
цилиндровой втулке 7 в противопо-
ложных направлениях движутся
нижний 4 и верхний 6 поршни,
которые с помощью шатунов 3 и
11 соединены с коленчатыми валами.
При движении верхний поршень от-
стает от нижнего на 12 ° угла
п. к. в. Угол поворота отсчитывает-
ся всегда от в. м. т. нижнего
поршня. При вращении коленчатых
валов воздух в рабочем объеме
цилиндров между поршнями, дви-
жущимися навстречу друг другу,
сжимается. За 16 ° до в. м. т. нижнего
поршня (2Д100) или за 10 ° (10Д100)
топливные насосы 14 через форсунки
начинают впрыскивание топлива в
камеру сгорания. К моменту начала
впрыскивания воздух в камере сго-
рания имеет температуру, достаточ-
ную для самовоспламенения топли-
ва. Сгорание топлива обеспечивает
повышение давления в цилиндре до
82
8,8—10,0 МПа. Под действием
давления газов поршни расходятся
от в. м. т., и через шатуны
поворачивают коленчатые валы. Че-
рез 124 0 от в. м. т. нижний поршень
кромкой днища открывает выпускные
окна 15. Отработавшие газы через
выпускную коробку устремляются в
выпускные коллекторы 16 и далее к
турбинам (10Д100) или глушителю
(2Д100). Верхний поршень через
140 ° от в. м. т. открывает продувоч-
ные окна 13. Воздух, поступая из
воздушного ресивера 12, вытесняет
отработавшие газы и заполняет све-
жим зарядом объем цилиндра. Через
236 ° от в. м. т. нижний поршень
полностью закрывает выпускные
окна. Зарядка заканчивается при
повороте коленчатого вала на 244 °
от в. м. т., когда верхний поршень
полностью закрывает продувочные
окна. При дальнейшем движении
поршней навстречу друг другу про-
исходит сжатие воздуха в рабочем
объеме цилиндра и цикл повторяет-
ся. Порядок работы цилиндров 1 —
6—10—2—4—9—5—3—7—8 одина-
ков для дизелей 2Д100 и 10Д100.
Счет цилиндров начинается от меха-
низма управления. В дизелях 2Д100
и 1 ОД 100, несмотря на различие
мощности, оказалось возможным ис-
пользовать 85—90 % унифицирован-
ных деталей и узлов.
Дизели типа Д40 (рис. 5.2) —
V-образные, двухтактные с клапан-
но-щелевой продувкой. Стальной
сварной блок 3 имеет 16 (11Д45)
гнезд, расположенных в два ряда
под углом 45 °, и установлен на
поддизельную раму /. Цилиндры ди-
зеля состоят из крышки 10 с кла-
панным механизмом, втулки 6 ци-
линдра и поршня 16 с шатуном.
Цилиндры, устанавливаемые в пра-
вом ряду, имеют главные шатуны 19,
соединенные с шатунными шейками
коленчатого вала 20. Цилиндры,
устанавливаемые в левом ряду, име-
ют прицепные шатуны 4, соединен-
ные с главным при помощи непод-
вижного пальца, закрепленного в
проушинах нижней головки. Колен-
Рис. 5.2. Схема дизеля типа Д40
Рис. 5.1. Схема дизеля типа Д100
чатый вал дизеля уложен в десяти
коренных подшипниках 2, располо-
женных в нижней части блока. В
развале блока, между рядами ци-
линдров, в девяти подшипниках вра-
щается распределительный вал 8
с 16 кулачками, каждый из которых
открывает четыре выпускных кла-
пана 9 одного цилиндра. Движение
от кулачка распределительного вала
передается через толкатель 12 и трех-
плечий рычаг 11. Топливные насосы
13 приводятся в действие валом 14.
При вращении коленчатого вала
воздух в рабочем объеме цилиндров
между поршнем и крышкой сжимает-
ся. За 17—20 0 до в. м. т. в цилиндр
подается топливо топливным насосом
высокого давления через распыли-
тель форсунки 15. За 84 ° до н. м. т.
открываются выпускные клапаны и
начинается перезарядка цилиндра.
Отработавшие газы устремляются в
выпускные коллекторы 7. К моменту
открытия продувочных окон 17 верх-
ней кромкой головки поршня за 46 °
до н. м. т. давление газов в цилиндре
становится ниже давления воздуха в
коллекторе 5, и воздух через ресивер
18 начинает поступать в цилиндры.
Зарядка цилиндра воздухом закан-
чивается к моменту закрытия про-
дувочных окон, в это же время
закрываются и выпускные клапаны.
При дальнейшем движении поршня
вверх происходит сжатие воздуха,
и цикл повторяется. Порядок работы
цилиндров левого и правого рядов
дизеля 11Д45: 1—8—4—5—2—7—
3—6, а дизеля 14Д40: 1—6—2—4—
3—5. Дизели типа Д40 имеют мень-
шие габариты и вес по сравнению
с дизелями типа Д100 и не уступают
им по экономичности.
Дизели типа Д49 (рис. 5.3, а) —
четырехтактные. V-образные с тур-
бонаддувом и клапанным распреде-
лением. Блок цилиндров 18 установ-
лен на раму 1. К стойкам блока 2
снизу крепятся подвески 3, в отвер-
стия которых установлены вкладыши
коренных подшипников. В блоке ус-
83
тановлены втулки цилиндров 4,
закрытые сверху крышками 8. В ци-
линдровых крышках расположены
выпускные клапаны 7, впускные кла-
паны 9 и форсунки 14. Привод
клапанов осуществляется от распре-
делительного вала 12 через штанги
11 и рычаги 10. От этого же вала
приводятся и топливные насосы 13.
В четырехтактном дизеле 5Д49
цикл рабочего процесса совершается
за два оборота коленчатого вала.
При вращении вала 17 от н. м. т.
воздух в рабочем объеме цилиндра
между поршнем 6 и крышкой
сжимается. За 20 ° до в. м. т. в
такте сжатия в цилиндр подается
топливо. Под действием газов пор-
шень в такте расширения движется
вниз и через шатун прицепной 5 или
главный 16 вращает коленчатый
вал. За 50 ° до н. м. т. открываются
выпускные клапаны и отработавшие
газы устремляются в выпускные
коллекторы 15. В такте выпуска
при движении поршня вверх проис-
ходит выталкивание отработавших
газов. Впускные клапаны открывают-
ся за 55 ° до в. м. т. При откры-
тых впускных и выпускных клапанах
происходит продувка цилиндра. Че-
рез 35 ° после в. м. т. при движении
поршня вниз цилиндр заряжается
свежим воздухом в такте всасы-
вания. При движении поршня после
н. м. т. вверх впускные клапаны
закрываются с запаздыванием на
30 °. Снова начинается такт сжатия,
и весь цикл повторяется. Порядок
работы цилиндров левого ряда: 4—
2—6—1—5—7—3—8, правого ряда:
1—5— 7—3—8—4—2—6.
Дизель 2А-5Д49 тепловоза
ТЭП70— более форсированная моди-
фикация дизелей типа 5Д49. Он
имеет до 90 % узлов и деталей,
унифицированных с узлами и дета-
лями других дизелей этого типа.
Отличается он от дизеля 1А-5Д49
тепловозов ТЭ116 более высоким
давлением наддува и несколько ины-
ми углами опережения подачи топ-
лива (25—26 °) и газораспределе-
ния. Ряд дизелей типа Д49 охваты-
вает мощность от 880 до 4400 кВт.
Дизели типа Д70 (рис. 5.3, б) —
четырехтактные, V-образные с турбо-
наддувом и клапанным распределе-
нием установлены на отдельных теп-
ловозах 2ТЭ109 и 2ТЭ116.
Блок-картер 2 установлен на под-
дизельной раме 1. Коленчатый вал
Рис. 5.3. Схема дизелей типов: а — Д49; б — Д70
84
16 удерживается подвесками 17 сни-
зу. Втулки 4 цилиндров сверху
закрыты крышками 8. В каждой
крышке размещены по два впусных
9 и два выпускных 12 клапана и
форсунка 7. У двигателя два распре-
делительных вала 5 и 15, приводя-
щих в действие клапаны и топлив-
ные насосы 6 левого и правого
рядов цилиндров. Коллектор 11 от-
работавших газов один и расположен
сверху цилиндров. Воздушный кол-
лектор 10 расположен в развале
цилиндров. Поршни 13 соединены
с коленчатым валом через главный
14 и прицепной 3 шатуны. На
базе двигателя 2Д70 разработан
однорядный шестицилиндровый ди-
зель 6Д70 для маневровых тепло-
возов.
Дизели типа Д50 (рис. 5.4) —
четырехтактные, вертикальные, ряд-
ные, шестицилиндровые с турбо-
наддувом и клапанным распределе-
нием. В фундаментной раме /
в коренных подшипниках 2 уложен
коленчатый вал 18. На раму установ-
лен блок цилиндров 6, в который
вставлены цилиндровые втулки 15.
Между стенками блока и втулок об-
разовано пространство для охлажда-
ющей воды. Поршень 5 соединен с
коленчатым валом при помощи шату-
на 17. Каждая цилиндровая втулка
закрыта крышкой 9, в которой рас-
положены впускные 7 и выпускные
14 клапаны и форсунка. Привод
клапанов осуществляется от распре-
делительного вала 3 через штанги 4
и рычаги 10, расположенные в кла-
панной коробке 11. Топливо в ци-
линдры подается шестисекционным
насосом 16. Воздух поступает по
воздушному коллектору 8, а отра-
ботавшие газы из цилиндров отво-
дятся с помощью двух выпускных
коллекторов 12 и 13. Повышение
мощности в дизеле ПД1М достигну-
то в основном за счет увеличения
давления наддува с 22—34 до 55—
60 кПа, что обеспечило также и
снижение расхода топлива.
Дизели типа М750 (рис. 5.5) —
четырехтактные, V-образные, две-
Рис. 5.4. Схема дизеля типа Д50
надцатицилиндровые, с наддувом.
На тепловозах ТГМЗ установлены
дизели М753 мощностью 550 кВт
с приводным центробежным нагнета-
телем; на тепловозах ТГ16, ТГ102
и дизель-поездах ДР1 установлены
дизели М756 различных индексов
мощностью 600 и 735 кВт с турбо-
компрессором.
Остов дизеля состоит из верх-
него 2 и нижнего 1 картеров.
Блоки цилиндров 5 сверху закрыты
головками 6 с крышкой 7. Колен-
чатый вал 13 крепится к верхнему
картеру подвесками 14 коренных
подшипников. В блок запрессованы
стальные втулки 4 цилиндров. Порш-
ни // соединены с коленчатым ва-
лом главными 3 и прицепными 12
шатунами. Кулачковые валики газо-
распределения 10 расположены в
головках блока, топливный насос 8
приводится в действие валом 9.
Дизели типа М750 отличаются от
других тепловозных дизелей быстро-
ходностью (1400—1500 об/мин) и
малой массой (1,6—1,8 кг/кВт).
Дизель М756 благодаря применению
газотурбинного наддува более эконо-
85
Рис. 5.5. Схема дизеля типа М750
мичен, чем дизель М753. Существен-
ный недостаток дизелей типа М750—
малый моторесурс (7—8 тыс. ч).
Это ограничивает их применение на
тепловозах. На дизеле М756 в отли-
чие от М753 блок цилиндров изготов-
лен за одно целое с головками в еди-
ной конструкции — моноблоке.
Дизели типа 310DR чехословацко-
го производства (рис. 5.6) — четы-
рехтактные, вертикальные, одноряд-
ные, шестицилиндровые. На теплово-
зах ЧМЭ2 установлены дизели
6S310DR мощностью 550 кВт без
наддува, на тепловозах ЧМЭЗ — ди-
зели K6S3I0DR мощностью 990 кВт
Рис. 5.6. Схема дизеля типа 310DR
86
с газотурбинным наддувом и охлаж-
дением наддувочного воздуха.
Остов дизеля состоит из картера
1 и блока цилиндра 2. В картере
на семи коренных подшипниках 14
уложен коленчатый вал 13, имеющий
противовесы 15. Блок цилиндров раз-
делен поперечными перегородками на
шесть отсеков. Сверху в них устанав-
ливаются цилиндровые втулки 3.
Поршни 4 соединяются с коленча-
тым валом шатунами 12. Цилиндры
закрыты крышками 6, в каждой из
которых размешены по два впускных
и выпускных 5 клапана и форсунка.
Впускные и выпускные клапаны
приводятся в действие от распреде-
лительного вала 11 с помощью
толкателей 10, штанг 9, двуплечих
рычагов 8 и траверс 7. Дизели
6S310DR и K6S310DR имеют значи-
тельное число унифицированных де-
талей, одинаковую компоновку ос-
новных агрегатов и их конструктив-
ное исполнение.
Дизели типа VFE 17/24 венгер-
ского производства (рис. 5.7) —
четырехтактные, V-образные. На теп-
ловозах ВМЭ1 установлены шестнад-
цатицилиндровые дизели XVIIV
170/240 мощностью 440 кВт при
1100 об/мин без наддува, на дизель-
поездах Д1—двенадцатицилиндро-
вые дизели 12VFE17/24 мощностью
540 кВт при 1250 об/мин с турбо-
наддувом.
К блоку цилиндров 1 снизу в
коренных подшипниках 13 укладыва-
ется коленчатый вал 12. Сверху в
блок вставлены втулки 3, которые за-
крываются крышками 4 с колпа-
ками 6. Поршни 10 соединены с
коленчатым валом шатунами 2 и И.
Воздушные и газовые клапаны 5
и топливный насос 7 приводятся в
действие от распределительного вала
9. Форсунка 8 установлена в фор-
камеру.
Дизели типа 1Д (рис. 5.8) —
четырехтактные с турбонаддувом.
Остов дизеля состоит из картера 2,
отлитого из алюминия, двух блоков
цилиндров 4 и двух головок 6.
Картер имеет приливы 1, которые
Рис, 5,7. Схема дизеля типа VFE 17/24
Рис. 5.8. Схема дизеля типа 1D12
опущены ниже оси коленчатого вала.
Приливы увеличивают жесткость
картера и надежность подвесок 15 в
коренных подшипниках, на которых
лежит коленчатый вал 14. В блок
дизеля запрессованы втулки 13.
В головке блока размещены каме-
ры сгорания в специальных углубле-
ниях. На каждый цилиндр размещено
по два впускных 9 и два выпускных
11 клапана. Клапаны приводятся в
действие распределительными вала-
ми 10, расположенными на голов-
ках блоков. Топливный насос 8
работает от вала 7, размещенного в
развале цилиндров. Поршни 5 соеди-
нены с коленчатым валом при помо-
щи главного 3 и прицепного 12
шатунов. Пуск дизеля двойной:
электрическим стартером и воздуш-
ный. Модификация дизеля 1Д6 пред-
ставляет собой рядный, вертикаль-
ный двигатель мощностью 100 кВт.
Мощностным рядом называется
группа дизелей различной мощности,
имеющих одинаковые диаметры ци-
линдров и ход поршня. Различные
мощности достигаются изменением
числа цилиндров. При этом также
могут изменяться и режимы работы;
частота вращения коленчатого вала,
среднее эффективное давление, а
иногда расположение цилиндров и
ход поршня. Мощностные ряды обес-
печивают возможность массового
производства отдельных узлов и де-
талей дизелей, что снижает стои-
мость их изготовления и эксплуата-
ционные расходы на содержание, так
как уменьшается номенклатура за-
пасных частей и материалов. Ведут-
ся работы по созданию единой конст-
рукции тепловозного дизеля с тем,
чтобы потребности магистральных и
маневровых тепловозов в диапазоне
мощностей от 600 до 4500 кВт
в секции могли быть перекрыты од-
ним мощностным рядом дизелей.
5.2. ОСТОВ ДИЗЕЛЯ
Остов — это основа конструкции
дизеля, состоящая из неподвижных
элементов. Эти элементы жестко свя-
заны между собой в единую систему,
нагруженную силами давления газов
и силами инерции движущихся час-
тей. Конструкция остова обеспечива-
ет жесткость дизеля, удобство раз-
борки, сборки и осмотра деталей кри-
вошипно-шатунного механизма и
вкладышей, а также весовые и га-
баритные требования к дизелю. Дос-
таточная жесткость остова — основ-
ное условие надежной и долговеч-
ной работы дизеля.
87
Рис. 5.9. Схема устрой-
ства остова дизеля
К элементам остова (рис. 5.9)
относятся рама 1, картер 2, блок
цилиндров <3, крышка цилиндра 4,
цилиндровая втулка 5, вкладыши
коренного подшипника б и 7 и поддон
8 для масла. Основные элементы
остова могут различным образом
объединяться в единые конструкции,
представленные на рис. 5.10 (обо-
значения соответствуют рис. 5.9).
На дизелях типа Д50 (рис.
5.10, а) рама, картер, поддон и
нижняя половина коренного подшип-
ника объединены в единой конструк-
ции — фундаментной раме /, крышка
коренного подшипника 6 установлена
сверху. Дизели типов Д100 (рис.
5.10, б), Д40 и Д49 (рис. 5.10, в),
Д70 (рис. 5.10, г) и 12VFE (рис.
5.10, д) имеют единый блок-картер.
В этих конструкциях крышка корен-
ного подшипника (подвеска) уста-
новлена снизу. Рама и поддон об-
разуют единую конструкцию (кро-
ме дизеля 12VFE) — поддизельную
раму. В дизелях типов 1Д6 (рис.
5.10, е), 1Д12 и М753 (рис. 5.10, з)
и М756 (рис. 5.10, и) основой
остова является картер, к которому
снизу на подвеске крепится нижняя
половина коренного подшипника.
Поддон 8 выполнен отдельно.
Остовы дизелей М756 представ-
ляют собой моноблок, объединяющий
в единую конструкцию головку и блок
со вставными втулками цилиндров.
Остов двигателя 310DR (рис. 5.10, ж)
имеет соединенный с картером блок
цилиндров и установленный в под-
дизельной раме коренной подшипник,
закрытый крышкой сверху. Элементы
остова в зависимости от конструк-
ции изготавливаются литыми из
чугуна или алюминия или сварными
из стали. В конструировании дета-
лей остова наметилась прогрессивная
тенденция — создание комбиниро-
ванного остова, состоящего из сталь-
ных литых звеньев, соединенных
сваркой. Это удешевляет изготовле-
ние и позволяет получать более
жесткие элементы.
Рис. 5.10. Схемы остовов тепловозных дизелей типов:
а - Д50 и ПД1М: б - 2Д100 и 1 ОД 100; в — 14Д40, 11Д45 и Д49; г — Д70; д — 12VFE17/24; е— 1Д6;
ж — K6S310DR и 6S310DR; з — 1Д12 и М753;. и — М756
88
Основные детали остова. Фунда-
ментная рама дизеля типа Д50
(рис. 5.11) отлита из чугуна СЧ21-40.
Обе боковые стенки имеют по шесть
люков, через которые можно осмат-
ривать подшипники и шатунно-криво-
шипиый механизм. С каждой стороны
люки закрыты крышками 6, отлиты-
ми из алюминиевого сплава. Верхняя
плоскость рамы со стороны генерато-
ра образует мощный круговой фла-
нец 12 с кольцевой проточкой. К
фланцу с помощью шпилек крепится
статор генератора. На торцовой стен-
ке рама имеет фланец 13, к которо-
му крепится шпильками и фиксирует-
ся двумя штифтами разъемный кор-
пус уплотнения коленчатого вала. То-
рец рамы со стороны масляного
насоса имеет фланец 5 для крепле-
ния корпуса диска боксовки колен-
чатого вала. Семь поперечных пере-
городок 3 рамы образуют опоры
2 коренных подшипников коленчато-
го вала. Опоры первого, второго,
третьего, пятого и шестого подшип-
ников (счет ведется от масляного
насоса к генератору) одинаковы и
имеют по две шпильки для крепле-
ния крышки коренного подшипника.
Опоры четвертого и седьмого под-
шипников шире и имеют по четыре
шпильки. По бокам опор перегород-
ки уширяются и образуют колонки 7
с отверстиями, через которые про-
ходят анкерные крепления блока
цилиндров к раме. Нижняя часть
рамы образует поддон 9 для масла,
дно которого имеет уклон от краев к
середине, где расположено отверстие
масляного канала 1. Полость рамы
отделена от поддона сетками, при-
крепленными к полкам 8. Вдоль рамы
с обеих сторон расположены лапы
Пи упор 10, служащие для установ-
ки и крепления ее к раме тепловоза.
У дизелей типа Д50 блок цилинд-
ров (рис. 5.12) отлит из чугуна
марки СЧ21-40. Продольная стенка
5 делит внутреннюю полость блока
на две части. В одной из них раз-
мещены цилиндровые втулки, в дру-
гой (меньшей по размеру) — меха-
низм привода газораспределения.
Внутренняя полость блока разделена
поперечными перегородками 3 на
шесть частей (по числу цилиндров).
Нижняя плоскость 6 служит флан-
цем для крепления блока к фунда-
ментной раме, верхняя плоскость
4— для установки крышек цилинд-
ров. Внутри блока имеются верти-
кальные ребра 2 и горизонтальные пе-
регородки 1, обеспечивающие уста-
новку цилиндровых втулок и образо-
вание полостей водяного охлажде-
ния. Фундаментная рама и блок
цилиндров скреплены 14 анкерными
связями и 29 сшивными шпилька-
ми. Рама и блок в сборе образуют
жесткий, но относительно тяжелый
остов, масса которого составляет
около половины общей массы дизеля.
Блок дизеля 10Д100 (рис. 5.13)
сварен из стальных деталей. Верти-
кальными листами 15 толщиной 16 мм
(сталь 20Г) блок поделен на 12
отсеков. В десяти из них размещены
втулки цилиндров, в переднем отсе-
ке дизеля — механизмы управления,
а в заднем — вертикальная переда-
ча и привод воздуходувки. Гори-
зонтальными листами 14 (сталь 20)
толщиной 25 мм и верхней и ниж-
ней плитами блок разделен на от-
секи: верхнего коленчатого вала,
воздушных ресиверов, топливной ап-
паратуры, выпускных коллекторов и
нижнего коленчатого вала. К верх-
ней плите и вертикальным листам
приварены 12 опор 9 для коренных
подшипников верхнего коленчатого
вала, а к нижней плите и верти-
кальным листам —12 опор 11 для
коренных подшипников нижнего ко-
ленчатого вала. В вертикальных
листах с правой и левой стороны
внутри блока вварено по 11 опор для
подшипников кулачковых валов топ-
ливных насосов. К вертикальным на-
ружным листам блока в отсеке воз-
душных ресиверов приварены впуск-
ные коллекторы 8. В отсеке выпуск-
ных коллекторов имеются ниши для
установки выпускных коробок. Ниши
закрыты плитами 4, которые кре-
пятся с помощью болтов и шпилек 3.
В плитах вырезаны люки 13 для
89
Вид со стороны насоса
Рис. 5. II. Фундаментная рама (а) и коренные подшипники (6) дизеля Д5О
Рис. 5.12. Блок цилиндров дизеля типа Д50
постановки и снятия крышек люков
выпускных коллекторов н термопар.
В наклонных боковых листах 12
имеются люки 10, предназначенные
для осмотра нижнего коленчатого
вала, коренных и шатунных подшип-
ников и их монтажа, а также для
выемки поршней. Верхний коленча-
тый вал осматривают при снятой
крышке блока. Осмотр поршней и
колец производят через люки 5 воз-
душных ресиверов и люки выпускных
коллекторов.
Блок дизеля типа Д49 (рнс.
5.14) сварен из стальных деталей:
нижняя часть сварена из литых
стоек 3, а верхняя — из листов 5.
К стойкам блока прикреплены болта-
ми 2 штампованные подвески 1.
Стыки стоек блока и подвесок имеют
зубцы, которые препятствуют смеще-
нию подвесок. В развале блока обра-
зован ресивер 4 наддувочного возду-
ха. Доступ в картер дизеля обеспе-
чивается через люки, закрытые
крышками 6. С правой стороны дизе-
ля крышки имеют предохранитель-
ные клапаны.
Коренные подшипники. Подшип-
ники предназначены для укладки ко-
ленчатого вала и состоят из корпуса
и двух вкладышей. Корпус корен-
ного подшипника выполнен из двух
половин. Одна из них изготавлива-
ется в зависимости от конструкции
остова за одно целое либо с рамой,
Рис. 5.13. Блок цилиндров дизеля типа Д100
91
либо с блоком цилиндров или карте-
ром. Вторая, съемная, половина
коренного подшипника называется
крышкой и крепится с помощью
шпилек, болтов или специальных
домкратов. Опорные коренные под-
шипники дизеля, как правило, имеют
одинаковую конструкцию. Для пре-
дупреждения осевого перемещения
коленчатого вала один из коренных
подшипников, обычно ближний к
фланцу отбора мощности, является
опорно-упорным и отличается от дру-
гих подшипников наличием бурта у
вкладышей.
У дизелей типа Д50 коренной
подшипник (см. рис. 5.11, б)
состоит из корпуса, расположенного
в фундаментной раме двигателя,
двух вкладышей и крышки. Крышка
19 соединена с рамой шпильками 17.
Стойки рамы, в которых расположе-
ны корпуса, усилены ребрами 15.
Крышки подшипников отлиты из ста-
ли и пригоняются к горизонтальным и
вертикальным плоскостям корпуса.
Плотная постановка крышки в раме
14 разгружает шпильки от срезыва-
ющих и изгибающих усилий. В цент-
Рис. 5.14. Блок цилиндров и коренные
подшипники дизеля типа 5Д49
ре крышка имеет отверстие 20 для
установки штуцера, к которому при-
соединяется трубка для подвода
масла. Рабочие вкладыши 16, вос-
принимающие усилия от коленчатого
вала, расположены в корпусе рамы.
В крышках установлены нерабочие
вкладыши 18 коренных подшипни-
ков.
Коренные подшипники верхнего
и нижнего коленчатых валов дизе-
лей типа Д100 (см. рис. 5.13)
имеют корпуса 1, вваренные в блок
дизеля, вкладыши — по два в каж-
дом подшипнике и крышки 6.
Крышки верхнего коленчатого вала
крепятся к блоку шпильками 7,
нижнего — болтами 2.
Корпуса в стойке блока, два вкла-
дыша и крышки образуют подшип-
ники дизелей типа Д49 (см. рис.
5.14). На девятой стойке и крышке
установлены полукольца упорного
подшипника. Отверстие для подвода
масла и каналы расположены в стой-
ках блока. К 10-му подшипнику
масло поступает из полости коленча-
того вала.
Вкладыши коренных подшипников
коленчатого вала. Надежность рабо-
ты вкладышей коленчатого вала в
значительной степени определяет
надежность всего дизеля. По конст-
рукции вкладыши бывают толсто-
стенными (толщина более 7 мм)
и тонкостенными (2,5—7 мм).
Толстостенные вкладыши изго-
тавливают из чугуна, стали или брон-
зы и заливают баббитом. Тонко-
стенные вкладыши из малоугле-
родистых сталей заливают свинцо-
вистой бронзой с приработочным
покрытием. В современных тепловоз-
ных дизелях подшипники с толсто-
стенными вкладышами постепенно
уступают место подшипникам с тон-
костенными вкладышами. Эти вкла-
дыши имеют меньшие габаритные
размеры и массу, более удобны для
массового изготовления и позволяют
обеспечить взаимозаменяемость при
сборке и ремонте без пришабровки
и пригонки. Плотное прилегание
вкладышей к постелям и предохра-
92
нение их от проворачивания обес-
печиваются натягом при установке.
Уже имеется значительный опыт
работы на дизелях М753 и М756
тонкостенных биметаллических вкла-
дышей (толщина вкладышей корен-
ных подшипников 6 мм, шатунных
4 мм), которые изготавливаются
прокаткой стальной основы с полосой
из алюминиево-оловянистого сплава
АО 20-1.
Вкладыши коренных подшипников
дизелей типа Д50 (рис. 5.15, а)
имеют корпус 1, изготовленный из
бронзы Бр ОЦС 3-12-5. Рабочая
поверхность вкладыша залита слоем
баббита 4 марки БК2. Для пре-
дупреждения проворачивания и осе-
вого смещения у вкладышей выштам-
пованы выступы 5, которые входят
в пазы постели и крышки подшипни-
ка со стороны топливного насоса.
В средней части вкладыша проходит
канавка 2 с отверстием 3 (только
у верхнего вкладыша) для подво-
да масла. У торца вкладыша сдела-
ны холодильники 6 для распределе-
ния масла по всей ширине вкладыша.
Толщина корпуса 7,5 мм и толщина
заливки 0,75 мм. Вблизи стыков
толщина вкладыша уменьшена на
0,06 мм.
У дизелей типа Д100 вкладыши
коренных подшипников (рис. 5.15, б)
изготовлены из бронзы БР ОЦС
3-12-5 с заливкой баббитом БК2.
Толщина вкладышей 19 мм при тол-
щине заливки 0,5—0,7 мм.. Опоры
блока дизелей типа Д100 в местах
установки вкладышей имеют малую
ширину для обеспечения прохода
цилиндровых втулок. При небольшой
ширине вкладыша только толстостен-
ные вкладыши обеспечивают необхо-
димую жесткость опоры. Вкладыши
фиксируются стопорными штифтами,
запрессованными в тело крышки,
в отверстиях 4. На торцах вкла-
дышей (со стороны управления дизе-
лем) имеются два отверстия (по
одному на каждом торце). В одно
из них 6 диаметром 6 мм впрес-
сован контрольный штифт, во второе
диаметром 7,5 мм входит с зазором
штифт парного вкладыша. Для повы-
шения надежности работы коренные
Рис. 5.15. Вкладыши коренных
подшипников тепловозных дизе-
лей типов:
а — Д50; б — ДЮ0 (канавочный
вкладыш); в — Д100 (бесканавоч-
ный вкладыш); г — 5Д49
93
вкладыши дизелей 10Д100 изго-
тавливают без канавок с гиперболи-
ческой расточкой. На рис. 5.15, в
показан вкладыш без канавки. Рабо-
чая поверхность бесканавочного
вкладыша увеличена. Масло подво-
дится через отверстие 4. В остальном
конструкции бесканавочного и вкла-
дыша с канавкой аналогичны.
Вкладыши коренных подшипников
дизелей типа Д49 (рис. 5.15, г)
стальные тонкостенные (4,85 мм),
залиты тонким слоем свинцовистой
бронзы, на которую нанесен слой
сплава олова со свинцом. Верхний
вкладыш 1 на рабочей поверхности
имеет канавку 2 и отверстия 3,
через которые поступает масло. Ги-
перболическая расточка рабочих по-
верхностей вкладышей позволяет
улучшить приработку и прилегание
вкладышей при эксплуатации дизе-
ля. Нижний вкладыш 6 около стыка
имеет карманы 5 для подвода и рас-
пределения смазки по рабочей по-
верхности и непрерывной подачи мас-
ла к шатунным подшипникам и порш-
ню. Для фиксации вкладышей штиф-
том, запрессованным в подвеску,
служит отверстие 4.
Цилиндровые втулки (гильзы).
Втулки образуют рабочий объем ци-
линдра и направляют движение
поршня Работа втулок происходит
в условиях высоких температур и
давлений газов. Для обеспечения
надежной н долговечной работы
втулки должны быть прочными
и жесткими с износостойкой поверх-
ностью, по которой движется пор-
шень. По условиям работы втулки
цилиндров тепловозных дизелей ох-
лаждаются водой. В зависимости от
способа водяного охлаждения втулки
разделяют на два типа: втулки без
водяных рубашек в дизелях, где
водяная полость образуется между
втулкой и стенками блока; втулки с
водяной рубашкой, когда водяная
полость образуется между втулкой
и рубашкой. Цилиндровые втулки
без водяных рубашек устанавли-
ваются на дизели типов Д50, Д12,
Д40, 12VFE, 310DR. На дизелях
94
типов Д100, Д49, М750 втулки имеют
напрессованные на них рубашки.
Цилиндровые втулки изготавливают,
как правило, из специального чугуна
или стали. Внутренняя поверхность
втулки (зеркало цилиндра) обраба-
тывается хонингованием до высокого
класса чистоты (шероховатость не
более 0,63).
Втулка цилиндра дизеля типа
Д50 (рис. 5.16, а) отлита из чугуна
СЧ24-44 и представляет собой ци-
линдр. Втулка имеет бурт 2, которым
она входит в выточку блока цилинд-
ров. На верхней части бурта про-
точен паз / для установки крышки
цилиндра. На внутренней поверхно-
сти втулки выфрезерованы четыре
выреза, позволяющие открываться
клапанам газораспределения. В бло-
ке втулка уплотнена в верхней час-
ти притиркой поверхности бурта к
поясу блока, а в нижней части ре-
зиновыми кольцами. Аналогичную
конструкцию цилиндровых втулок
имеют четырехтактные дизели
12VFE17/24, K6S310DR и др.
Цилиндровые втулки двухтактных
дизелей типа Д40 (рис. 5.16, б)
отличаются тем, что в средней части
имеют продувочные окна 1 и уплот-
няются по блоку в поясах 3, 4 и 5.
В верхний бурт ввернуты шпильки 2,
которыми втулка подвешена к крыш-
ке цилиндра. Между крышкой и втул-
кой установлена стальная омеднен-
ная прокладка, уплотняющая газо-
вый стык. Два выреза 6 в нижней
части втулки служат для прохода
стержня шатуна, а два отверстия 7
предназначены для крепления при-
способления, удерживающего пор-
шень при выемке комплекта.
У дизелей типа Д100 цилиндро-
вые втулки (рис. 5.16, в) имеют осо-
бенности, определяемые конструк-
цией двигателя с расходящимися
поршнями. Втулка 4 разгружена
от осевых усилий, поэтому к блоку
крепится только четырьмя неболь-
шими шпильками с помощью флан-
ца 5. В верхней части втулки
расположены продувочные окна 3,
а в нижней части втулки — вы-
Рис. 5.16. Втулки цилиндров тепловоз-
ных дизелей типов:
а —Д50; б — Д40; в — 10Д100; г — Д49
пускные окна 1. На среднюю часть
втулки напрессована стальная ру-
башка 2, которая в нижней части
стопорится кольцом. Для уплотне-
ния водяной камеры между втул-
кой и рубашкой установлены ре-
зиновые кольца. В рубашке имеют-
ся два отверстия для подвода и
отвода воды и три сквозных отвер-
стия в рубашке и втулке для уста-
новки адаптеров форсунок и индика-
торного крана.
В блоке втулка с рубашкой уп-
лотнены резиновыми кольцами и ла-
биринтом.
Втулка дизелей типа Д49 (рис.
5.16, г) изготовлена из хромомо-
либденового чугуна, обладающего
высокой износостойкостью. На втул-
ку 1 надета рубашка 2. Для уплот-
нения между втулкой, рубашкой . и
блоком поставлены резиновые коль-
ца. Втулка, так же как и в дизелях
типа Д40, крепится к крышке
цилиндра с помощью шпилек 3.
В блоке втулка фиксируется верх-
ним 5 и нижним 6 опорными пояса-
ми. В отверстия верхнего торца
запрессованы втулки 4 для перетока
воды в крышку.
5.3. ШАТУННО-КРИВОШИПНЫЙ
МЕХАНИЗМ
Шатунно-кривошипный механизм
дизеля преобразовывает возвратно-
поступательное движение поршней
во вращательное движение коленча-
того вала. Основные детали меха-
низма — коленчатые валы, поршни
и шатуны. Конструктивное исполне-
ние шатунно-кривошипных меха-
низмов зависит от особенностей кон-
струкции дизеля, числа и расположе-
ния цилиндров.
Коленчатые валы. Вал дизеля под-
вержен воздействию переменных сил
давления газов, инерции и вращаю-
щих моментов. Коленчатые валы
изготавливают различными способа-
ми: свободной ковкой с последующей
механической обработкой, горячей
штамповкой, отливкой из стали и
модифицированного или высокопроч-
ного чугуна.
Коленчатый вал дизеля типа Д50
(рис. 5.17) — стальной кованый.
Шесть колен вала расположены в
трех плоскостях под углом 120°.
Порядок работы цилиндров: 1—3—
5—6—4—2. Для уменьшения массы
95
so
Рис. 5.17. Коленчатый вал дизеля типа Д50
Вид A
шатунные шейки /—VI имеют отвер-
стия 8. Смазка от коренных шеек
/—7 (кроме четвертой) к шатунным
подводится по трубкам 9 с разваль-
цованными концами 10. Разъемная
ведущая шестерня 13 крепится к ва-
лу 12 за буртом 11 хомутами 14
при помощи болта 15. Фасонный
бурт 16 служит для уплотнения кар-
тера и устранения попадания мас-
ла в полость генератора. Со сторо-
ны генератора вал заканчивается
фланцем 17, имеющим отверстия
для установки втулок н болтов креп-
ления якоря генератора. К фланцу 18
вала со стороны масляного насоса
крепят поворотный диск.
Чугунные литые коленчатые ва-
лы установлены на дизелях типа
Д100. Изготовление литых валов
обеспечивает большую экономию
материала и снижает затраты. Ниж-
ний и верхний коленчатые валы
дизеля Д100 (рис. 5.18) отличают-
ся друг от друга только конструк-
цией концевых частей. Валы имеют
по 10 шатунных I—X и по 12 корен-
ных 1—12 шеек, выполненных для
уменьшения массы пустотелыми 16.
Коренные шейки валов смазываются
маслом, поступающим через корен-
ные подшипники. На шатунные шей-
ки дизелей 2Д100 масло поступает
по каналам 17. На дизелях 10Д100
масло от коренной шейки идет по
двум косым каналам. Передний ко-
нец нижнего коленчатого вала имеет
шпильку 19 и посадочное место 18
под антивибратор, а противополож-
ный — фланец 14 для крепления
пластинчатой муфты, соединяющей
вал дизеля с валом генератора.
К фланцу 15 крепится коническая
шестерня, входящая в зацепление с
шестерней вертикальной передачи.
Верхний коленчатый вал в пе-
редней части имеет посадочное место
для крепления шестерни 20 привода
распределительных валов, а в проти-
воположной — фланец 13 для креп-
ления шлицевой втулки, передающей
вращение нагнетателю воздуха вто-
рой ступени. В дизеле 2Д100 на зад-
нем конце верхнего коленчатого
4 Зак. 443
вала установлен эластичный привод
воздуходувки, ступица которого по-
сажена на шпонке и закреплена
торцовым диском. Мощность от
верхнего коленчатого вала передает-
ся нижнему через вертикальную пе-
редачу.
Вертикальная передача дизелей
2Д100 (рис. 5.19, а) состоит из
двух валов 6 и 7, соединенных эла-
стичной муфтой 5. Эластичная муф-
та предохраняет зубья шестерен 1 и
2 от толчков при пуске и изменении
частоты вращения валов дизеля, до-
пускает небольшую несоосность ва-
лов при монтаже и компенсирует теп-
ловое расширение блока и деталей
передачи. Валы вращаются в под-
шипниках 3 н 4.
На дизеле 1 ОД 100 установлена
облегченная вертикальная передача
с торсионным валом (рис. 5.19, б).
Вместо эластичной муфты к ступи-
це присоединена муфта 8, с которой
шлицами соединяется верхняя го-
ловка торсионного вала 9. Нижняя
же головка торсионного вала имеет
шлицевое соединение с полым валом.
Коленчатый вал дизеля 5Д49
(рис. 5.20) отлит из легированной
стали и азотирован. Для уменьше-
ния напряжений и перегрузки корен-
ных подшипников от сил инерции на
первой, восьмой, девятой и шестнад-
цатой щеках имеются противовесы
12, отлитые заодно целое со щеками.
На фланце 17 установлен антивибра-
тор, а на фланце отбора мощности
11— ведущий диск муфты сцепления
с тяговым генератором. Втулка, пе-
редающая через шлицевый вал
вращение шестерням привода насо-
сов, прикреплена к коленчатому валу
болтами 16 и застопорена штиф-
тами 15. Между девятой и десятой
коренными шейками 1—10 располо-
жен фланец, к которому призон-
ными болтами 14 прикреплена ше-
стерня 13. От нее вращение пере-
дается шестерням привода распре-
делительного вала.
Анти вибраторы. Маятниковый ан-
тивибратор дизеля типа Д100 (рис.
5.21) имеет восемь плоских грузов 5,
97
Рис. 5.18. Коленчатый вал дизеля типа 2Д100:
а — верхний; б — нижний; в — разрез вала
вставленных с зазором в кольце-
вые проточки ступицы 2. Каждая
пара диаметрально расположенных
грузов навешена на два пальца 4
с зазором и может на них колебать-
ся. Отверстия, куда вставляются
пальцы, как в ступице 2, так и
в грузах одного диаметра, а пальцы
каждой пары 3, 9 грузов одинако-
вы между собой и отличаются по
диаметру от пальцев 4, 8 другой
пары. Получается, что у каждой
пары грузов в отверстиях пальцев
свой зазор. При отсутствии кру-
тильных колебаний все грузы пере-
мещаются радиально и занимают на-
иболее удаленные от оси колен-
чатого вала положения. При появле-
нии критической частоты вращения
соответствующая пара грузов начнет
колебаться. Происходит это потому,
что в валу появляются крутильные
колебания и, когда направление
упругого колебания вала в данный
момент совпадает с вращением вала,
грузы в силу закона инерции будут
отставать, а когда направление коле-
бания вала изменится и станет
противоположно его вращению, гру-
зы начнут забегать вперед. Таким
образом, колебания грузов изменят
частоту свободных колебаний вала
и предотвратят совпадение ее с
частотой вращающего момента, т. е.
выведут вал из резонанса. От вы-
падания пальцы удерживаются план-
ками 10. Для уменьшения износа
пальцев и втулок, запрессованных в
отверстия ступицы и грузов, к ним
подводится смазка. Путь смазки:
от первого коренного подшипника,
по кольцевой выточке 6, канавкам 7
и каналам 1 ступицы в радиаль-
ные желобки 11 грузов. Из коль-
цевой проточки 12 масло поступает
для смазки эластичной шестерни
привода масляного и водяного на-
сосов.
Комбинированный антивибратор
дизелей типа Д49 (рис. 5.22)
состоит из маятникового антивибра-
тора и демпфера вязкого трения.
Он устанавливается на фланце ко-
ленчатого вала. В отверстия ступицы
4*
Рис. 5.19. Вертикальные передачи дизе-
лей типа Д100:
а*—с эластичной муфтой; б — с торсион*
ным валом
маятникового антивибратора запрес-
сованы втулки. При помощи паль-
цев 2 к ступице 1 подвешены
шесть маятников 3. Для смазки анти-
вибратора масло подводится из по-
лости коленчатого вала в кольцевую
полость, из которой под действием
центробежной силы поступает к
пальцам и втулкам. Демпфер вяз-
кого трения состоит из маховика
6 и корпуса 5 с завальцованной
в него крышкой 4. Пространство
между маховиком и корпусом запол-
нено жидкостью, имеющей высокую
вязкость.
Поршни. В двигателях внутреннего
сгорания поршни подвергаются воз-
действию значительных механичес-
ких и термических нагрузок. Они
изготавливаются из материалов, об-
ладающих малой плотностью, высо-
кой износоустойчивостью и проч-
ностью. На большинстве тепловозных
дизелей применяются составные
поршни (рис. 5.23). Поршни дизе-
лей состоят из тронка 1, головки 2
и вставки 3. На дизелях типа Д100
(и дизеле Д45А) применяются порш-
ни, у которого чугунная головка
и тронк отлиты в единую деталь
(стакан), поршни дизелей типа Д49
99
о
о
Рис. 5.20. Коленчатый вал дизеля типа 5Д49
14
13
имеют стальную головку, а алюми-
ниевые тронк и вставка представ-
ляют одно целое. Поршни дизелей
типов Д50 и 310DR цельнолитые
из алюминиевых сплавов. Детали
составных поршней соединяются
между собой с помощью болтов, шпи-
лек или стопорных колец.
Вместе с крышкой цилиндра и
втулкой поршень образует камеру
сгорания. Поэтому форма днища
поршня выбирается из условий обес-
печения наилучшей организации про-
цесса сгорания топлива. Поршень
должен хорошо уплотнять рабочий
цилиндр, поэтому поршни имеют под-
вижные уплотнительные кольца. Так
как работа трения поршня состав-
ляет 50—60 % механических потерь
в двигателе, то поршни вместе с
кольцами при обеспечении уплотне-
ния цилиндра должны обладать
высокими антифрикционными свой-
ствами и хорошо прирабатываться
к зеркалу цилиндровой втулки.
Для уменьшения потерь от трения
втулки цилиндров смазываются мас-
лом; однако избыток масла вреден,
так как приводит к закоксовыванию
уплотнительных колец и потере ими
подвижности, поэтому в нижней ча-
сти поршня устанавливают масло-
срезывающие кольца. Надежная ра-
бота поршней определяет надеж-
ность всего дизеля. Для улучшения
условий работы поршня в форсиро-
ванных дизелях применяют масляное
охлаждение. Поэтому конфигурация
внутренней полости поршня делается
с учетом наилучшего отвода тепла
от днища и предохранения зоны
поршневых колец от перегрева.
Поршень дизеля типа Д50 литой,
из алюминиевого сплава (рис. 5.24).
Днище поршня 1 имеет вогнутую
форму, способствующую лучшему
перемешиванию топлива с возду-
хом. На выступающих кромках име-
ются четыре выреза 2 для свобод-
ного открытия клапанов газораспре-
деления. В пяти верхних канавках 3
установлены уплотнительные кольца,
а в шестой верхней 4 и двух ниж-
них 5— маслосрезырающие кольца.
Рис. 5.21. Маятниковый анти-
вибратор дизелей типа Д100
В канавках маслосрезывающих ко-
лец просверлены отверстия 6 для сто-
ка масла. Поршень не имеет масля-
ного охлаждения. Высокая тепло-
проводность материала и большая
толщина днища облегчают передачу
теплоты к кольцам, которые в свою
очередь отдают его втулке цилиндра.
Рис. 5.22. Комбинированный ан-
тивибратор дизеля типа 5Д49
101
Рис. 5.23. Схема устройства
поршня двигателя внутреннего
сгорания
На дизелях типа Д100 поршни
(рис. 5.25) работают в условиях
высокой тепловой напряженности,
особенно нижний поршень, который
все время омывается горячими газа-
ми. Поршни изготавливают из чугу-
на. Вместо бобышек для установки
пальца 6 шатуна имеется специаль-
ная вставка 5, которая к стакану 1
крепится стопорным кольцом 9 или
шпильками (в старых конструкциях).
Для улучшения отвода тепла поршни
имеют масляное охлаждение. Каналы
масляного охлаждения расположены
симметрично относительно оси камег
ры сгорания. Масло движется по
каналам двумя параллельными пото-
ками. Выход масла осуществляется
через выфрезерованные канавки в
плите и во вставке в полость между
стаканами и вставкой. Из нижнего
поршня масло стекает в картер через
102
два боковых отверстия во вставке.
Из верхнего поршня масло выбрасы-
вается силами инерции через сливной
канал во вставке и нижней плите.
Поршневой палец плавающего типа
свободно вращается во втулках
вставки и шатуна. Камеру сжатия
регулируют с помощью прокладок 4,
установленных под верхней плитой 2,
а зазор под стопорным кольцом 9
изменяется с помощью прокладок 7,
установленных под нижней плитой 8.
Боковая поверхность поршня дизе-
лей типа Д100 покрыта тонким
слоем олова. Уплотнительные кольца
3 чугунные с медным пояском. Пер-
вое и третье кольца дизелей 1 ОД 100
имеют хромированную рабочую по-
верхность. Поршни дизелей типа Д49
(рис. 5.26) составной конструкции.
Стальная головка 6 и алюминиевый
тронк 9 скреплены четырьмя шпиль-
ками 1 с гайками 12 и втулками 2.
Головка поршня охлаждается мас-
лом, которое поступает из верхней
головки шатуна через стакан 10,
прижимаемый пружиной 11 к шату-
ну, в полость охлаждения днища,
затем в кольцевую полость, а из нее
сливается в картер по каналу б.
Рабочая поверхность тронка покрыта
слоем дисульфида молибдена. В от-
верстия бобышек тронка установлен
поршневой палец 3 плавающего
типа, фиксируемый кольцом 4. Уплот-
нительные кольца 7 имеют трапе-
цеидальное сечение и изготовлены
из легированного высокопрочного чу-
гуна с хромированной рабочей по-
верхностью. Маслосрезывающие
кольца 8 размещены выше оси
поршневого пальца, что обеспечивает
хорошую смазку опорной части трон-
ка. Нижнее маслосрезывающее коль-
цо имеет экспандер (кольцевую пру-
жину). Резиновое кольцо 5 пре-
пятствует вытеканию масла между
головкой и тронком.
Поршневые кольца. Уплотнитель-
ные (компрессионные) поршневые
кольца предназначены для уплотне-
ния зазора между поршнем и цилинд-
ром и отвода теплоты от поршня.
Маслосрезывающие (маслосъемные
Рис. 5.25. Бесшпилечный поршень (нижний)
дизелей типа Д100
и маслосгонные) кольца препятству-
ют попаданию масла в камеру сгора-
ния. Кольца изготавливают разрез-
ными. При работе они прижимают-
ся к стенке цилиндра силами собст-
венной упругости и давления газов.
В особенно тяжелых условиях рабо-
тает первое поршневое кольцо.
В период сгорания силы от давления
газов в 40—70 раз превышают
силы собственной упругости. В зоне
Рис. 5.26. Поршень дизеля типа 5Д49
103
первого кольца при положении его
в в. м. т. высокая температура и
недостаток смазки приводят к боль-
шим износам как кольца, так и
втулки цилиндра. Высокие темпера-
туры способствуют также пригора-
нию поршневых колец. На поршни
тепловозных дизелей обычно уста-
навливают 3—5 уплотнительных ко-
лец и 2—3 маслосрезывающих,
изготовленных из специального чу-
гуна. Наиболее распространенные
типы сечений и замков поршневых
колец приведены на рис. 5.27.
Уплотнительные кольца прямо-
угольного сечения с цилиндрической
образующей типа 1 (рис. 5.27, а) —
самые простые по форме. Их устанав-
ливают на дизелях 1Д12, 1Д6,
K6S310DR и некоторых других. Для
Рис. 5.27. Поршневые кольца:
а — сечения уплотнительных колец; б — сечения
маслосрезывающих колец; в — замки колец
104
улучшения прирабатываемости де-
лают кольца типа 2 с конической
образующей и узким опорным ци-
линдрическим пояском. Конусность
наружной поверхности сохраняется
в течение долгого времени работы.
Угол составляет обычно от 0,5 до
2°. Такие кольца установлены на
поршнях дизелей типов K6S310DR,
а также Д50 в третий и четвертый
ручьи. В первый и второй ручьи
(Д50) устанавливают кольца тра-
пецеидального типа 3 с углом
р = 7,5°. Применение трапецеидаль-
ного сечения позволяет устранить
пригорание колец и увеличить проч-
ность гребней поршня.
В тяжелых условиях работы (двух-
тактные дизели типов Д100, Д40 и
др.) применяются биметаллические
кольца типа 4 с вставкой из бронзы
и двойным конусом на наружной
поверхности. На поршнях дизелей
11Д45 биметаллические кольца типа
5 для устранения пригорания имеют
наклонную поверхность на верхнем
торце и винтовую канавку на рабо-
чей поверхности, которая после лу-
жения заполняется дисульфидом мо-
либдена. Бронзовая вставка при ра-
боте двигателя изнашивается, об-
разуя на стенке цилиндра метал-
лическую пленку, которая предохра-
няет втулку от задиров, увеличивает
теплоотдачу. Для повышения износо-
устойчивости колец применяют хро-
мовое их покрытие. В этом случае
используют кольца с цилиндрической
образующей по типу 1.
Маслосрезывающие кольца (рис.
5.27, б) применяются с коническими
одной (тип 1) или двумя (тип 2)
образующими с углом у, составляю-
щим 18, а иногда и 45° (коль-
ца типов 4, 5 поршней дизелей
K6S310DR). У большинства масло-
срезывающих колец для отвода мас-
ла профрезерованы окна. В некото-
рых конструкциях маслосрезываю-
щих колец типа 4 для повышения
упругости используются экспандеры
(дизели K6S310DR, 5Д49).
Замки колец (рис. 5.27, в) обычно
бывают типа 1 косые под углом 45°
и в некоторых случаях прямые типа
2 (хромированные кольца). Замки
внахлестку типа 3 применяются в
маслосрезывающих кольцах дизелей
Д100. В последнее время в качестве
материала для верхних уплотнитель-
ных колец применяется и сталь.
Так, например, у дизелей типа М750
для увеличения надежности работы
в первый ручей устанавливают
стальные хромированные кольца тра-
пецеидального сечения.
Поршневые пальцы. На дизели
устанавливают пальцы двух типов:
с жестким закреплением в бобыш-
ках поршня или вставки и плаваю-
щие. Плавающие пальцы имеют
меньших износ и, что более сущест-
венно, износ по окружности пальца
распределяется равномерно. В порш-
не двигателя Д50 палец плавающего
типа. Бронзовая втулка головного
подшипника шатуна имеет кольце-
вую канавку в средней части и
четыре сверления для подвода смаз-
ки к подшипнику шатуна. Смазка
пальца в бобышках производится
изнутри. В осевом направлении па-
лец фиксируется заглушками, кото-
рые стопорятся цилиндрическими
штифтами. На двигателях 2Д100
установлены пальцы, жестко закреп-
ленные в бобышках вставки. Палец
фиксируется шпильками крепления
вставки к поршню. В поршнях дизе-
лей 1 ОД 100 и 5Д49 палец плавающий
(см. рис. 5.25 и 5.26), фиксируется
от осевого перемещения стопорными
кольцами 4.
Шатуны. Усилия от поршня к ко-
ленчатому валу передают шатуны,
испытывающие при этом переменные
нагрузки от давления газов и сил
инерции. Конструкции шатунов обла-
дают большой жесткостью. Стержни
шатунов обычно имеют двутавровое
сечение и изготовляются штампов-
кой. В V-образных дизелях приме-
няются шатуны либо с прицепным
сочленением главного и прицепного
шатунов (дизели типов Д40, Д49,
Д70 и др.), либо с центральным
сочленением центрального и виль-
чатого шатунов (дизели типа
12VFE17/24). Прицепное сочленение
обеспечивает необходимую жест-
кость нижней головки шатуна. При
центральном сочленении в криво-
шипной головке вильчатого шатуна
из-за недостаточной жесткости воз-
никают значительные деформации.
Шатуны дизеля типа Д50 имеют
две головки: верхнюю поршневую
для соединения с поршневым паль-
цем и нижнюю кривошипную для
соединения с шейкой коленчатого
вала.
Стержень шатуна двутаврового
сечения с утолщением в средней
части, где проходит канал для масла.
В верхней головке запрессована
бронзовая втулка. На наружной и
внутренней поверхностях втулки
имеются кольцевые канавки, которые
сообщаются между собой четырьмя
отверстиями. Нижняя головка разъ-
емная. Съемная часть — крышка —
соединяется с шатуном болтами,
стопорящимися от проворачивания
штифтами. Крышка фиксируется
двумя штифтами. Шатунный под-
шипник состоит из двух взаимо-
заменяемых вкладышей с заливкой
из баббита.
Шатуны дизелей типа Д100 по кон-
струкции аналогичны шатунам дизе-
лей типа Д50. Верхняя головка шату-
на имеет сферическую форму с поли-
рованной поверхностью на диаметре
98 мм под ползушку для обеспе-
чения плотности скользящего сочле-
нения. Втулка верхней головки
шатуна состоит из двух втулок —
стальной и бронзовой, соединенных
запрессовкой с натягом. В нижней
головке шатунов с бесканавочными
вкладышами просверлены два косых
отверстия вместо одного централь-
ного для обеспечения непрерывной
подачи смазки к верхней головке.
Верхний и нижний шатуны дизелей
типа Д100 имеют различную дли-
ну. Нижние шатуны удлинены, чтобы
обеспечить условия выемки поршней
через картер.
Шатунный механизм дизеля Д49
(рис. 5.28) состоит из главного 2
и прицепного 13 шатунов. Шатуны
105
106
соединены между собой пальцем 12,
который установлен во втулке //,
запрессованной в проушине главного
шатуна. Прицепной шатун прикреп-
лен к пальцу 12 двумя болтами 14,
которые застопорены шайбами 15.
В верхних головках обоих шатунов
запрессованы стальные втулки 1 и
16, залитые свинцовистой бронзой.
Для подачи масла к поршневому
пальцу в средней части втулок имеет-
ся канал с двумя отверстиями. Ниж-
няя головка главного шатуна имеет
съемную крышку 6, которая прикреп-
ляется к стержню четырьмя болта-
ми 5. Стык нижней головки и крыш-
ки имеет зубцы треугольного профи-
ля, препятствующие поперечному
смещению крышки. В нижнюю
головку главного шатуна установле-
ны верхний 10 и нижний 8 сталь-
ные тонкостенные вкладыши, зали-
тые свинцовистой бронзой. Тыльные
поверхности вкладышей, которыми
они опираются на крышку и шатун,
покрыты медью. Вкладыши уста-
навливают с натягом, и положение
их фиксируется штифтами 9 и 7.
Натяг вкладыша, измеренный в спе-
циальном приспособлении, выбит на
торце вкладыша. Верхний и нижний
вкладыши невзаимозаменяемы. В
нижнем вкладыше имеется канавка
с отверстиями для перетока масла.
По отверстиям и каналу в крышке 6
масло перетекает в канал нижней
головки шатуна и по втулке 4,
уплотненной кольцом 3, в канал
стержня главного шатуна и к втулке
11, откуда через отверстие в пальце
12 в канал прицепного шатуна.
Из втулок 1 и 16 через отверстия
в верхних головках шатунов масло
поступает на охлаждение поршней.
Вкладыши шатунных подшипников
состоят из двух половин: верхней —
рабочей, размещенной в нижней го-
ловке шатуна, и нижней — нерабо-
чей, размещенной в крышке ниж-
ней головки шатуна.
Наружный диаметр вкладышей
больше диаметра расточки нижней
головки шатуна, что обеспечивает
плотную посадку вкладыша и пред-
отвращает его проворачивание в
головке шатуна при работе двигате-
ля. Вкладыши шатуна должны
иметь гарантированный натяг, изме-
ряемый в специальных приспособле-
ниях. В дизелях Д50 и Д100 уста-
новлены бронзовые вкладыши с
заливкой баббитом БК2. Толщина
слоя заливки 2 (рис. 5.29) после
окончательной обработки составляет
примерно 0,5—0,8 мм. В средней
части вкладыша 1 дизеля Д50
(рис. 5.29, а) просверлено отвер-
стие 3, которое с внутренней сторо-
ны заканчивается продолговатой
выемкой, а с наружной стороны —
цилиндрической раззенковкой. При
сборке подшипника отверстие верх-
ней половинки совпадает с осевым
каналом в стержне шатуна и
служит для прохода масла. Нижняя
половинка вкладыша этим отвер-
стием надевается на штифт крышки
шатуна. Равномерное распределение
масла по ширине подшипника обес-
печивается наличием холодильников
5. Буртами 4 вкладыши плотно
Рис. 5.29. Вкладыши шатунных подшипников:
а — дизеля Д50; б — дизеля 2Д100 (канавочиый);
в — дизеля 10Д100 (бесканарочиый)
107
охватывают торцовые поверхности
нижней головки шатуна и удержи-
ваются от осевого перемещения. На
дизелях 2Д100 установлены кана-
вочные шатунные вкладыши (рис.
5.29, б). Канавка 4 проточена по
всей внутренней поверхности вкла-
дыша.
На дизелях 1 ОД 100 бесканавочные
шатунные вкладыши (рис. 5.29, в).
Канавка 4 профрезерована только
по концам верхней половинки вкла-
дыша, до отверстия 3
Шатунные болты. Болты изго-
тавливают из высококачественной
стали с последующей термической
обработкой. Для устранения кон-
центрации напряжений сечения раз-
ных диаметров болтов имеют плав-
ные переходы. Поверхность болтов
шлифуется и полируется. Болты
и гайки устанавливаются комплект-
но, для чего они маркированы
попарно и имеют метки взаимного
положения после окончательной за-
тяжки. Корончатые гайки имеют
три сквозных отверстия для шплин-
товки, болты — два над резьбой.
5.4. ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ
МЕХАНИЗМ И КРЫШКИ ЦИЛИНДРОВ
Газораспределительный механизм
управляет процессами впуска и вы-
пуска газов в цилиндры дизеля.
Конструкция механизма зависит от
типа дизеля и системы продувки
цилиндров. В двухтактных дизелях
применяются прямоточные щелевая и
клапанно-щелевая системы продувки
цилиндров, в четырехтактных дизе-
лях— только клапанные системы
продувки. В двухтактных дизелях
типа Д100 газораспределение осу-
ществляется расходящимися порш-
нями, открывающими и закрываю-
щими продувочные и выпускные
окна, расположенные в цилиндро-
вой втулке. Смещение кривошипов
верхнего и нижнего коленчатых
валов позволяет управлять всеми фа-
зами газораспределения. Прямо-
точная щелевая система продувки —
наиболее совершенный вид продувки,
108
но при этом создаются тяжелые
условия работы нижнего поршня,
управляющего открытием выпускных
окон. В двухтактных дизелях типа
Д40 газораспределение осуществ-
ляется и поршнем (впуск), и клапа-
нами (выпуск), расположенными в
крышке цилиндра.
Механизм газораспределения ряд-
ного четырехтактного дизеля типа
Д50 состоит из впускных и выпуск-
ных клапанов и их привода (рис.
5.30). Клапаны 6 расположены в
крышке цилиндра. В нижней плоско-
сти крышки имеются четыре отвер-
стия с конусными поясками, служа-
щими посадочными седлами клапа-
нов. Два отверстия, в которые встав-
лены впускные клапаны, сообщаются
воздушным каналом с наддувочным
коллектором 7, а два других соеди-
нены с выпускным коллектором 15.
Сверху в отверстия верхней плиты
крышки запрессованы втулки 8 и
13 для впускных и выпускных
клапанов.
Внутри крышки имеется полость
для прохода охлаждающей воды.
Снизу эта полость сообщается во-
семью отверстиями 16 с водяной
полостью блока 17, а сверху —
с патрубком 14 отвода воды. Коль-
цевой бурт 5 нижней плиты и соот-
ветствующая выточка втулки ци-
линдров служат для обеспечения гер-
метичности камеры сгорания. Плот-
ность газового стыка достигается
раздельной притиркой по плите по-
верхности бурта и кольцевой выточки
втулки. Крышка крепится к блоку
шпильками. Клапаны открываются
кулачками распределительного вала
1, которые поднимают ролики рыча-
гов толкателей 2. Толкатели, воз-
действуя через штанги 4 на рычаги
впуска 9 и выпуска 10, открывают
клапаны. Закрытие клапанов и воз-
вратное движение рычажного меха-
низма происходят под действием пру-
жин клапанов. В каждой крышке
установлены попарно по два впуск-
ных и выпускных клапана. Ра-
бочие фаски тарелок клапанов вы-
полнены под углом 45°, отшлифо-
Рис. 5.30. Механизм газораспределения и
крышка цилиндра дизеля ПД1М
109
ваны и притерты к своим седлам.
Клапан прижимается к седлу двумя
пружинами 12 из легированной
стали. Чтобы клапан не проворачи-
вался из-за скручивания пружин,
наружная пружина сделана с левой
навивкой, а внутренняя — с правой.
Снизу пружины упираются в бурт
направляющей втулки, а сверху —
в тарелку И пружины. Тарелка
пружины крепится на стержне клапа-
на двумя разрезными коническими
сухарями 25 (рис. 5.30, б), на по-
верхность которых установлено фиб-
ровое кольцо 24, не допускающее
попадания масла на шток клапана.
Кольцо от выпадания удерживается
пружинным замком 23, вставленным
в кольцевую канавку тарелки пру-
жины. На торец стержня клапана
надет стальной колпачок 22 с цемен-
тированной и шлифованной верхней
плоскостью, взаимодействующей с
бойком 21 рычага клапана. Рычаги
впускных 9 и выпускных 10 клапа-
нов отличаются по размеру. Кроме
того, рычаг впускных клапанов имеет
четвертое плечо, которое служит упо-
ром для дополнительной пружины,
установленной в корпусе со стороны
штанги. Ударник 18 стальной, имеет
снизу сферическую полированную го-
ловку, которая упирается в шаровое
углубление бронзового бойка 21,
удерживаемого в головке пружинным
проволочным кольцом 20. Ударник
стопорится болтом 19 с пило-
образной резьбой, который, сжимая
вилку рычага, предотвращает само-
отвинчивание ударника.
Штанги 4 представляют собой
стальные трубки, в которые с обеих
сторон вставлены сферические голов-
ки. Верхние головки штанг являются
опорами толкателей впускных и
выпускных рычагов. Нижние головки
упираются в рычаги толкателей,
смонтированных на кронштейнах 3.
Кронштейны крепятся к приливам
поперечных перегородок блока со
стороны смотровых люков. Каждый
кронштейн служит опорой для двух
рычагов. Рычаг толкателей 2 одно-
плечий, штампованный, стальной; на
НО
одном конце имеет головку с роли-
ком, а на другом — отверстие с за-
прессованной втулкой, которая слу-
жит подшипником при качании рыча-
га на оси кронштейна. Ролик тол-
кателей стальной, цементированный,
установлен на бронзовой полой оси,
для крепления которой в головке
выполнены две щеки с отверстиями.
Ось ролика в отверстиях щек фик-
сируется стальным болтом. Над роли-
ком в головке имеется выточка
с запрессованной в нее пятой, слу-
жащей опорой сферической головки
штанги. Рычаги толкателей получают
движение от кулачков распреде-
лительного вала 1, изготовленного
из легированной стали. Вал состав-
ной, из трех частей, соединенных
между собой призонными шпилька-
ми. Шейки и кулачки выполнены
заодно целое с валом. В собранном
виде распределительный вал имеет
восемь опорных шеек и 12 кулач-
ков. Кулачки расположены по отно-
шению друг к другу в соответствии
с фазами газораспределения и поряд-
ком работы цилиндров дизеля. Во
избежание значительного искажения
фаз газораспределения из-за удли-
нения стержня клапанов при нагре-
вании между колпачком клапана и
бойком рычага должен выдержи-
ваться зазор 0,5 ±0,05 мм. Рас-
пределительный вал получает враще-
ние от коленчатого вала дизеля
с помощью привода, который разме-
щен со стороны главного генера-
тора.
Механизм газораспределения V-
образного четырехтактного дизеля
5Д49 размещен в крышках цилинд-
ров и лотке, расположенном в разва-
ле блока цилиндров. Крышка ци-
линдра (рис. 5.31) литая из высоко-
прочного чугуна. В крышке 1
установлены два впускных и два
выпускных клапана 6. Все клапаны
имеют наплавку фасок кобальтовым
стеллитом для обеспечения высокой
жаро- и износостойкости. Высокая
износостойкость посадочных фасок
крышки для выпускных клапанов /
достигается установкой плавающих
вставных седел 5, удерживаемых
пружинными кольцами 4. Каждая
пара клапанов открывается одним
рычагом через гидротолкатели, кото-
рые обеспечивают при работе дизеля
отсутствие зазора между рычагом
и клапаном. Гидротолкатель //
состоит из втулки 11, упора 12,
пружин 13, шарика 14, толкателя 15
и колпачка 17. От выпадания тол-
катель удерживается кольцом 16,
а колпачок — шплинтом 18. Масло
в гидротолкатель поступает из мас-
ляной системы дизеля через отвер-
стие д в рычаге и отверстие ж
в полость л, когда клапан закрыт.
В момент нажатия гидротолкателя
на клапан давление масла в полости
л мгновенно повышается, шариковый
клапан 14 препятствует выходу мас-
ла через отверстие ж, и усилие рыча-
га передается на клапан через
масляную подушку. Направляющие
втулки 3 и 7 клапанов изготовлены
из чугуна. Для уменьшения прохо-
да масла в камеру сгорания из кла-
панной коробки 9 используются фто-
ропластовые кольца 8. Охлаждаю-
щая вода поступает в водяную
полость крышки б по каналам а
и отводится через отверстие г. Ры-
чажно-клапанный механизм смазы-
вается маслом, поступающим из лот-
ка. Клапанная коробка сверху закры-
вается крышкой 10.
Лоток, предназначенный для раз-
мещения распределительного кулач-
кового вала и топливных насосов,
расположен в развале блока и
состоит из двух половин, скреплен-
ных болтами и шпильками.
Распределительный вал приво-
дится во вращение коленчатым ва-
лом через зубчатые колеса. Привод
установлен на заднем торце блока
цилиндров и представляет собой
шестеренчатый редуктор.
В быстроходных дизелях типов
М750 и 1Д12 механизм газораспре-
деления—клапаны и распредели-
Рис. 5.31. Крышка цилиндра дизеля 5Д49
111
тельные валы — размещается в го-
ловке цилиндра или моноблоке (см.
рис. 5.8).
5.5. ТОПЛИВНАЯ АППАРАТУРА
Подачу топлива в цилиндры дизе-
ля в заданном количестве и в
определенное время, а также равно-
мерное распределение топлива по
объему камеры сгорания в распылен-
ном состоянии должна обеспечивать
топливная аппаратура.
Топливная аппаратура дизеля
(рис. 5.32) состоит из топливных
насосов 8, их привода и форсунок
17. Различные типы топливной
аппаратуры имеют много общего.
Основная особенность ее состоит в
том, что при работе реализуются вы-
Рис. 5.32. Схема топливной аппаратуры тепло-
возных дизелей
112
сокие давления топлива (до 80—
90 МПа). Почти на всех дизелях
тепловозов советских железных до-
рог используются насосы с плунже-
ром золотникового типа и фор-
сунки закрытого типа.
Плунжер 10 топливного насоса 8
приводится в движение от кулачка
2 вала топливных насосов 1 через
толкатель 4 с роликом 3. Толка-
тель, расположенный в корпусе 6,
прижимается к кулачку пружиной 5.
При движении плунжера вверх
топливо подается через нагнетатель-
ный клапан 12 по трубопроводу 13
к форсунке 17. Топливо, как всякая
жидкость, обладает очень малой
сжимаемостью. Поэтому нагнетание
его связано с повышением давления
во всей системе. При достижении
давления, достаточного для подъе-
ма иглы 18, топливо через сопло
распылителя 19 поступает в цилиндр
дизеля. При падении давления под
действием пружины 15 через штан-
гу 16 игла форсунки закрывается
и подача топлива прекращается. Об-
ратный ход плунжер совершает под
действием пружины 7. При движении
плунжера вниз в надплунжерное
пространство поступает топливо из
топливного коллектора через отвер-
стие в гильзе 11. Количество подавае-
мого топлива зависит от положения
плунжера, которое устанавливается
с помощью шестерни 9 от рейки
топливного насоса 14.
Регулирование подачи топлива
плунжерным насосом с золотнико-
вым управлением состоит в следую-
щем. При движении плунжера вверх
из крайнего нижнего положения 1
в положение 2 (рис. 5.33) топливо
из надплунжерного пространства вы-
тесняется через отверстие в гильзе
в топливный коллектор. В положе-
нии 2 верхняя кромка плунжера
полностью перекрывает отверстие в
гильзе — это положение соответст-
вует геометрическому началу пода-
чи топлива. При дальнейшем движе-
нии плунжера вверх давление топли-
ва в надплунжерном пространстве
растет. Открывается нагнетательный
в надплунжерное пространство. Так
клапан, и топливо поступает к фор-
сунке при движении плунжера из по-
ложения 2 в положение 4. В положе-
нии 4 нижняя винтовая кромка
головки плунжера совпадает с ниж-
ней кромкой отверстия в гильзе —
это положение соответствует геомет-
рическому концу подачи топлива.
Ход плунжера от положения 2 до
положения 4 называется полезным
ходом плунжера. При дальнейшем
движении плунжера из положения 4
вверх до крайнего верхнего положе-
ния 6 топливо из надплунжерного
пространства вытесняется через вер-
тикальный паз плунжера и кольце-
вую проточку в головке в топлив-
ный коллектор. Нагнетательный кла-
пан закрыт. При движении плунже-
ра из положения 6 вниз топливо
продолжается до достижения плун-
жером положения 4. При движении
плунжера из положения 4 в положе-
ние 2 окно в гильзе перекрыто голов-
кой плунжера, и топливо не посту-
пает. При дальнейшем движении
плунжера из положения 2 в крайнее
нижнее положение 1 топливо продол-
жает поступать в надплунжерное
пространство. Цикл работы топлив-
ного насоса повторяется при каждом
обороте коленчатого вала двух-
тактных дизелей и один раз за два
оборота коленчатого вала четырех-
тактных дизелей.
Изменение количества подавае-
мого за цикл топлива достигается
поворотом плунжера (рис. 5.34).
В положении /, когда вертикальный
Рис. 5.34. Схема изменения- подачи топлива и типы плунжерных насосов:
а— плунжер с управлением концом подачи топлива; б — плунжер с управлением началом подачи топ-
лива; в — плунжер с управлением началом и концом подачи топлива
ИЗ
гильзы, при возвратно-поступатель-
ном движении плунжера подачи
топлива не происходит, так как над-
плунжерное пространство все время
сообщено с топливным коллектором.
В положении 2, когда вследствие
поворота плунжера паз и отверстие
в гильзе не совпадают, осуществляет-
ся минимальная подача топлива.
Положения 3, 4 и 5 соответствуют
промежуточным значениям подачи
топлива плунжером. В положении 6
осуществляется максимальная пода-
ча топлива плунжером. При этом
полезный ход плунжера достигает
максимального значения.
Рассмотренный на рис. 5.33 и
5.34, а плунжер имеет цилиндри-
ческую верхнюю и винтовую нижнюю
кромки. Такая конфигурация головки
плунжера обеспечивает одинаковый
угол начала подачи при всех значе-
ниях подачи топлива. Подачей топли-
ва управляют, изменяя конец его
подачи. На рис. 5.34, б показан
плунжер, конфигурация которого
обеспечивает управление началом
подачи в зависимости от количест-
ва подаваемого топлива при неиз-
мененном конце подачи, а на
рис. 5.34, в — конфигурация плун-
жера, обеспечивающая управление
началом и концом подачи. Топлив-
ные насосы с плунжером, представ-
ленным на рис. 5.34, а, приме-
няются на большинстве тепловозных
дизелей. На дизелях типов Д40 и
Д49 применяются плунжеры, изобра-
женные на рис. 5.34, в.
Большое значение в обеспечении
нормальной работы топливной аппа-
ратуры имеет нагнетательный кла-
пан. При достижении плунжером
положения 4 (см. рис. 5.33) давле-
ние в надплунжерном пространстве
падает и клапан садится на свое
место. При недостаточно быстром па-
дении давления возможно подтека-
ние топлива в конце цикла подачи.
Для достижения быстрого падения
давления в топливопроводе устанав-
ливают нагнетательный клапан с раз-
грузочным пояском. Однако при
длинном топливопроводе подтека-
114
ние полностью не устраняется даже
при быстрой разгрузке топливопро-
вода от высокого давления. Поэтому
всегда стремятся к сокращению
длины топливопровода между на-
сосом и форсункой. В некоторых
дизелях применяются насосы-фор-
сунки, у которых нагнетательный
топливопровод совсем отсутствует.
Дефектом работы топливной аппа-
ратуры может быть так называемое
подвпрыскивание топлива, которое
также снижает экономичность ра-
боты дизеля. Подвпрыскивание вы-
зывается колебательным процессом в
нагнетательном топливопроводе вы-
сокого давления после посадки
иглы форсунки на седло, когда
амплитуда волны давления достигает
значения, достаточного для отрыва
иглы форсунки. Для устранения под-
впрыскивания стремятся к сокраще-
нию объема надклапанной полости
за счет установки в нагнетательный
клапан специальных вытеснителей.
При этом создаются условия более
равномерной подачи топлива в ци-
линдры и затухания волны давления
топлива в топливопроводе, что
способствует устранению причин
подвпрыскивания топлива форсун-
ками.
Основные характеристики топлив-
ной аппаратуры дизелей. Подача
топлива за рабочий цикл в один
цилиндр двигателя определяется
номинальной цилиндровой эффектив-
ной мощностью и удельным расходом
топлива дизелем. Для обеспечения
допустимой перегрузки дизеля, а
также для компенсации потери пода-
чи насоса из-за износа возможная
максимальная подача за цикл при-
нимается примерно в полтора раза
больше номинальной. Неравномер-
ность распределения топлива по
цилиндрам дизеля допускается на
номинальной мощности не более
3—4 %. На оборотах холостого хода
неравномерность достигает 30—
50%.
Коэффициентом подачи топливной
системы называется отношение объе-
ма поданной через форсунку порции
топлива к объему, описанному плун-
жером на полезном участке его
хода.
Действительная продолжитель-
ность подачи топлива для различ-
ных двигателей составляет от 12
до 35° по углу поворота колен-
чатого вала. Следует отличать дей-
ствительную продолжительность по-
дачи от геометрической, которая оп-
ределяется как угол поворота колен-
чатого вала двигателя, соответст-
вующий перемещению плунжера от
начала полезного хода до его окон-
чания. Геометрическая продолжи-
тельность обычно меньше действи-
тельной.
Действительное опережение по-
дачи топлива измеряется в граду-
сах поворота коленчатого вала
(п. к. в.) двигателя от начала
впрыскивания до в. м. т. Для раз-
личных двигателей оно составляет
обычно от 6 до 30 ° п. к. в. Опти-
мальное опережение подачи топлива
подбирается экспериментальным пу-
тем и зависит от способа сме-
сеобразования, сорта топлива, сте-
пени сжатия, нагрузки и частоты
вращения. Геометрическое опере-
жение, соответствующее началу по-
лезного хода плунжера, больше
действительного на запаздывание
впрыскивания, которое составляет от
2 до 15° п. к. в.
Законом подачи (или характе-
ристикой подачи) топлива называет-
ся распределение топлива по углу
поворота вала двигателя за период
впрыскивания. Закон подачи — это
обобщенная характеристика влияния
как профиля кулачка, размера
плунжера и проходного сечения
сопла форсунки, так и ряда дру-
гих конструктивных и эксплуата-
ционных факторов, например кон-
струкции нагнетательного клапа-
на, длины топливопроводов вы-
сокого давления, наличия в сис-
теме (под клапаном в штуцере)
местных объемов, давления впрыс-
кивания, сжимаемости жидкости и
т. п. Увеличение цилиндровой мощ-
ности при неизменном скоростном
режиме работы дизеля связано с
увеличением цикловой подачи топ-
лива, что приводит к изменению
характеристики процесса впрыскива-
ния. Увеличение цикловой подачи
приводит к существенному воз-
растанию продолжительности впрыс-
кивания и отдельных фаз топливопо-
дачи. При растянутом процессе
впрыска повышается температура
выпускных газов, снижается эконо-
мичность работы дизеля.
Топливный насос дизеля Д49
(рис. 5.35) установлен на лотке,
расположенном в развале цилиндров.
Насос состоит из корпуса 4, гиль-
зы 11, плунжера 12, седла 8 и
клапана 9. Гильза и седло закрепле-
ны в корпусе насоса нажимным
штуцером 10.
В гильзе плунжера имеются два
отверстия для подвода топлива.
Плунжер типа В имеет верхнюю
и нижнюю спиральные отсеченные
кромки, обеспечивающие регули-
ровку количества подаваемого в
цилиндры топлива с одновременным
изменением углов начала и конца
подачи. На цилиндрической поверх-
ности плунжера имеются две коль-
цевые канавки. Широкая канавка
при любом положении плунжера
по высоте соединена с полостью
низкого давления. На гильзу плун-
жера установлен зубчатый венец 5,
в пазы которого входит поводок
плунжера. В зацеплении с венцом
находится рейка 6, которой меха-
низм управления поворачивает плун-
жер. Максимальный выход рейки,
замеряемый от торца рейки до бол-
та 7, ограничивается винтом, кото-
рый препятствует повороту зубчато-
го венца и перемещению рейки
насоса. Размер выхода рейки уста-
навливают при регулировании на-
соса по подаче на стенде изме-
нением положения рейки и прокладок
под болтом 7. Снизу к корпусу
насоса прикреплена направляющая
втулка 2 толкателя. В нее запрес-
сована втулка 1, в которой размещен
толкатель. Угол опережения подачи
топлива по цилиндрам регулируют
115
Рис. 5.35. Топливный насос дизеля 5Д49
116
набором прокладок 3 по зазору
между плунжером и седлом нагне-
тательного клапана.
Форсунки. На дизелях установле-
ны форсунки закрытого типа, пред-
назначенные для направления струй
и распыливания топлива в камере
сгорания. По конструкции форсунки
тепловозных дизелей различаются
главным образом конструкцией рас-
пылителя, размерами проходных се-
чений, количеством и размерами
сопловых отверстий, массой, габа-
ритными и установочными размера-
ми. Принципиальное отличие имеют
только форсунки дизелей типа
VFE17/24, являющиеся полузак-
рытыми и имеющими вместо запор-
ной иглы запорный клапан, удер-
живаемый пружинной силой 0,4 Н и
открывающийся при давлении топ-
лива 2,5 МПа. В этих форсунках
давление начала впрыска не регули-
руется. Максимальное давление по-
дачи топлива в них достигает
34 МПа.
У форсунки дизелей типа Д49
(рис. 5.36) сопло 1 и корпус
распылителя 2 прикреплены к кор-
пусу форсунки 7 с помощью кол-
пака 4. В корпусе распылителя
размещена игла 3, разобщающая
внутренние полости форсунки от
камеры сгорания. Корпус распылите-
ля и игла представляют собой пре-
цизионную пару. Игла прижимается
к корпусу распылителя пружиной 8
через штангу 6. Пружина через та-
релку 10 затягивается винтом 11,
положение которого фиксируется
гайкой 13. Сверху на регулировоч-
ный винт навернут штуцер 15, к
которому присоединена труба отвода
топлива, просачивающегося по за-
зору между иглой и корпусом
распылителя. Топливо поступает че-
рез щелевой фильтр в канал корпу-
са форсунки и далее в кольцевую
камеру корпуса распылителя. Фор-
сунки устанавливают в крышки ци-
линдров и крепят шпильками.
Уплотнение достигается за счет ко-
нусных поверхностей, прокладок 12,
14 и уплотнительных колец 5 и 9.
Рис. 5.36. Форсунка дизеля 5Д49
На дизелях типов Д49 и VFE17/24
форсунки установлены в крышках
цилиндров наклонно, что позволяет
монтировать их без снятия крышек
клапанных коробок. На дизелях типа
Д100 форсунки вмонтированы в
цилиндры с помощью специальных
адаптеров, обеспечивающих уплот-
нение от прорыва газов и течи воды.
5.6. РЕГУЛИРУЮЩАЯ
АППАРАТУРА ДИЗЕЛЯ
Регулирующая аппаратура дизеля
обеспечивает: поддержание задан-
ной частоты вращения коленчатого
вала и мощности дизеля; защиту
дизеля от превышения допустимой
частоты вращения и перегрузок.
Постоянство частоты вращения ва-
ла дизеля поддерживает автомати-
ческий регулятор. Частота вра-
щения вала изменяется тогда, когда
меняется нагрузка дизеля. Если
нагрузка от тягового генератора
изменяется, а двигатель получает
постоянное количество топлива, то
частота вращения его вала будет
изменяться, уменьшаясь или увели-
117
чиваясь, в зависимости от изменения
нагрузки. Для поддержания по-
стоянной частоты вращения нужно
устанавливать подачу топлива в
соответствии с требуемой мощ-
ностью. Это и выполняет регуля-
тор, воздействуя на топливный на-
сос.
Регуляторы изготовляют по раз-
ным схемам, но общее для всех
схем то, что при увеличении часто-
ты вращения коленчатого вала дизе-
ля регулятор уменьшает подачу
топлива, а при уменьшении, на-
оборот, увеличивает. Простейший
регулятор — центробежный регуля-
тор прямого действия (рис. 5.37, а).
Полая ось 2 регулятора приводит-
ся во вращение от коленчатого ва-
ла дизеля через зубчатую пере-
дачу 1 с постоянным передаточ-
ным отношением. Грузы 5 вра-
щаются на платформе, закрепленной
в верхней части оси. Через рыча-
ги >3 и муфту 4 отклонение грузов
от оси вращения преобразуется в
перемещение оси 10 регулятора.
Верхняя половина муфты скреплена
с осью 10 и может перемещаться
вместе с ней, нижняя половина
муфты вращается вместе с груза-
ми. На муфту сверху действует
сила затяжки пружины 6, а снизу —
центробежная сила от грузов. При
равенстве сил муфта находится в
равновесии. Это означает, что подача
топлива (стрелка А) обеспечи-
вает заданную частоту вращения
(стрелка Б) при соответствующей
нагрузке дизеля.
Если частота вращения коленчато-
го вала дизеля изменится, например
уменьшится из-за увеличения нагруз-
ки или по какой-то другой при-
чине, равновесие сил, действующих
на муфту, также нарушится. Под
действием силы пружины муфта бу-
дет перемещаться вниз и увели-
чивать подачу топлива до тех пор,
пока частота вращения не возра-
стет. Установится новое равновесие
при новой частоте вращения, обыч-
Рис. 5.37. Схемы регуляторов частоты вращения дизелей:
а—регулятор прямого действия; б—регулятор непрямого действия с серводвигателем; в—изодром-
ный регулятор непрямого действия
118
но незначительно отличающейся от
заданной. Отношение разности меж-
ду этими крайними значениями к
среднему значению частоты враще-
ния называется степенью неравно-
мерности регулятора. Регуляторы,
обладающие свойством постоянства
равновесной скорости, носят соот-
ветственно название астатических..
Следует отметить, что при малейшем
изменении нагрузки двигателя такой
регулятор будет изменять свое поло-
жение очень сильно. Будучи один
раз выведен из равновесия, астати-
ческий регулятор совершает непре-
рывное колебательное движение
между крайними положениями и
потому практически непригоден. Сте-
пень неравномерности, равная ну-
лю, может быть получена только
в системе изодромного регулиро-
вания. Статический регулятор так-
же совершает колебательные движе-
ния, прежде чем приходит в но-
вое положение равновесия, соответ-
ствующее новой нагрузке двигателя.
Но эти колебания затухающие,
и затухание происходит тем быст-
рее, чем больше степень нерав-
номерности регулятора. Практически
выбирают оптимальную степень не-
равномерности, обеспечивающую бы-
строе затухание и не допускающую
слишком большой разницы в час-
тоте вращения при изменении на-
грузки.
В изображенном на схеме (см.
рис. 5.37, а) регуляторе усилие на
муфте передается регулирующему
органу топливного насоса непо-
средственно или через систему тяг
и рычагов, но во всяком случае
единственным источником этого уси-
лия является сам регулятор. Такое
регулирование называется прямым.
При этом все сопротивления меха-
низмов регулирования и передачи
должны преодолеваться усилием на
муфте регулятора. Это в основном
сопротивления сил трения.
При трении в механизме регу-
лятора или в передаче в любом
положении регулирующий орган ос-
тается неподвижным в некотором ин-
тервале частот вращения. Отноше-
ние разности между крайними зна-
чениями к заданной частоте вра-
щения называется степенью не-
чувствительности регулятора. Сте-
пень нечувствительности увеличи-
вает степень неравномерности, и это
приводит к тому, что полная степень
неравномерности может получиться
недопустимо большой. Поэтому в
современных регуляторах применяют
схему непрямого регулирования, за-
ключающуюся во введении между
регулятором и топливным насосом
специального вспомогательного ме-
ханизма— серводвигателя. Серво-
двигатель управляется регулятором
и создает усилие, которое и воздей-
ствует на топливные насосы. В ре-
зультате от регулятора требуется
значительно меньшая сила, необхо-
димая только для управления серво-
двигателем. Еще одно преимущест-
во регуляторов с серводвигателем
заключается в улучшении динами-
ческих качеств регулирования. При
серводвигателе колебания регуля-
тора затухают, даже если степень
нечувствительности равна нулю. Сле-
довательно, регулятор с серводвига-
телем обеспечивает более точное
и быстрое регулирование частоты
вращения коленчатого вала двигате-
ля.
Схема непрямого регулирования
с серводвигателем и жесткой обрат-
ной связью представлена на рис.
5.37, б. При изменении нагрузки
двигателя угловая скорость вала из-
менится прежде, чем регулятор ока-
жет воздействие на подачу топли-
ва. Например, при увеличении на-
грузки угловая скорость уменьшится
и муфта регулятора 4 опустится.
При этом рычаг 11 повернется
вокруг оси В и другой конец его
передвинет золотник 12 серводвига-
теля. Масло по верхней трубке бу-
дет поступать в цилиндр серво-
двигателя 13 и передвинет поршень
на увеличение подачи топлива. Пе-
ремещение поршня серводвигателя
приведет к изменению положения ре-
гулирующего органа двигателя и
119
повернет рычаг вокруг точки Д.
При этом золотник серводвигателя
возвратится в среднее положение.
Поршень серводвигателя установит-
ся в новом равновесном положении,
при котором развиваемая мощность
будет соответствовать возросшей на-
грузке. Рычаг И обеспечит обрат-
ное воздействие серводвигателя на
золотник и регулятор. Обратная
связь серводвигателя с регулятором
осуществляется в данной схеме меха-
низмом, состоящим из элементов, не
изменяющих своих размеров. Такая
связь называется жесткой обратной
связью.
Схема регулирования (рис. 5.37, в),
в которую введен изодром 14, поз-
воляет одному из элементов менять
свою длину в процессе регулиро-
вания. Корпус изодрома соединен с
рычагом //, а поршень связан с
поршнем серводвигателя 13. Обе
полости изодрома наполнены маслом,
скорость перетекания которого регу-
лируется дросселем 16. При изме-
нении нагрузки двигателя угловая
скорость вала изменится прежде
чем регулятор окажет воздействие на
подачу топлива. Например, при
увеличении нагрузки угловая ско-
рость уменьшится и муфта регуля-
тора 4 опустится. При этом рычаг
// повернется вокруг оси В и
передвинет золотник 12 серводви-
гателя. Масло по верхней трубке
будет поступать в цилиндр и пере-
двинет поршень на увеличение пода-
чи топлива. Перемещение поршня
серводвигателя приведет к измене-
нию положения регулирующего орга-
на и повернет рычаг 11 вокруг
точки Д. При этом золотник серво-
двигателя возвратится в среднее по-
ложение. В отличие от регулятора
с жесткой обратной связью в данной
схеме с момента начала перемеще-
ния поршня серводвигателя на уве-
личение подачи топлива в работу
включается изодром. Натяжение пру-
жины 15 создает повышенное давле-
ние в нижней полости, и масло
перетекает в верхнюю полость до
тех пор, пока поршень серводвига-
120
теля не установится в новом равно-
весном положении, при котором раз-
виваемая мощность будет соответст-
вовать возросшей нагрузке. Однако
если при жесткой обратной связи в
новом равновесном положении порш-
ня серводвигателя точка Д занима-
ла новое положение, что соответст-
вовало изменению частоты враще-
ния при изменении нагрузки, то те-
перь при наличии изодрома точка Д
возвратится в свое первоначальное
положение. Это значит, что при из-
менившейся нагрузке двигатель бу-
дет работать с точно такой же ча-
стотой, с какой он работал. Следо-
вательно, схема с изодромным регу-
лированием позволяет сохранить по-
стоянство заданной частоты враще-
ния вала двигателя при разных на-
грузках.
Регуляторы, настроенные на под-
держание одного заданного значе-
ния частоты вращения, называются
одно режимными. На тепловозных ди-
зелях применяются всережимные ре-
гуляторы, изменением настройки ко-
торых можно изменять заданную час-
тоту вращения в широких пределах.
Механизм настройки состоит обычно
из подвижного упора 7 (см. рис.
5.37) и зубчатого сектора 8 с при-
водом от рукоятки управления 9.
При задании нового значения часто-
ты вращения рукоятка управления
переставляется. Например, при пе-
рестановке рукоятки вверх от преж-
него положения (стрелка Б) зубча-
тый сектор опустит упор и увели-
чит затяжку пружины. Равновесие
муфты нарушится, и под действием
силы пружины она будет опускаться
и увеличивать подачу топлива до
тех пор, пока частота вращения не
увеличится до заданной и не насту-
пит новое равновесие.
Изодромные регуляторы частоты
вращения. Регуляторы с гидравли-
ческой обратной связью установлены
на дизелях Д50 и 2Д100 и некоторых
других. Регулятор (рис. 5.38, а)
состоит из измерителя частоты вра-
щения, серводвигателя, механизмов
автоматического выключения и ус-
Рис. 5.38. Схема изодромного регулятора час-
тоты вращения — а и золотниковой части из-
мерителя скорости — б
корения пуска и механизмов управ-
ления регулятором и дизелем. Все
детали измерителя частоты и серво-
двигателя объединены в корпусе,
в котором расположены также
масляный насос регулятора с акку-
муляторами. Нижняя часть корпуса
образует маслосборник. В корпусе 1
серводвигателя регулятора располо-
жены силовой поршень 4 с пружи-
ной 6 и компенсирующий поршень 2.
Камера под силовым поршнем соеди-
нена с измерителем частоты ка-
налом Б, а камера под компенси-
рующим поршнем — каналом Г, ко-
торый соединен также с масляной
ванной с помощью регулируемого
изодромного дросселя 3. Масло в
серводвигатель через измеритель
частоты вращения поступает от мас-
ляного насоса 15 по магистрали,
соединенной с аккумуляторами 14,
поддерживающими постоянное дав-
ление.
Измеритель частоты вращения —
это основной узел регулятора, сос-
тоящий из центробежного меха-
низма, установленного на траверсе
13, и плунжерно-золотникового рас-
пределителя 12 масла, расположен-
ного в нижней части измерителя
частоты. При вращении грузов 7
центробежная сила через рычаги и
подшипники 11 передается на все-
режимную пружину 8. С другой сто-
роны, пружина сжимается упором 9,
перемещаемым через зубчатый сек-
тор 10 от системы управления ре-
гулятором. Плунжерно-золотнико-
вый распределитель (рис. 5.38, б)
управляет силовым поршнем серво-
двигателя и представляет собой
сложную систему взаимодействую-
щих деталей. Букса 23 имеет по
высоте пять кольцевых проточек,
совпадающих с каналами в корпусе
24 регулятора. Верхняя проточка
совпадает с нагнетательным кана-
лом А масляного насоса; вторая —
с каналом Б, ведущим к полости
под силовым поршнем серводвигате-
ля; третья и пятая проточки —
121
с каналами В и Д внутренней полости
регулятора и четвертая —- с каналом
Г полости над компенсирующим
поршнем. В расточку буксы вставлен
золотник 25, представляющий собой
втулку, заканчивающуюся поршнем
33. Золотник против проточек в
буксе имеет отверстия для прохода
масла. В нижнюю часть золотника
запрессован хвостовик 32, верхняя
часть которого имеет вертикальные
и горизонтальные каналы, соединяю-
щие внутреннюю полость золотника
с полостью буксы под поршнем.
Нижняя часть хвостовика входит
во втулку 22, где на него надеты
верхняя 35 и нижняя 37 тарелки
с пружиной 36, сжатой корончатой
гайкой 38. Пружина сжимается по
размеру внутренней цилиндрической
части втулки. Нажатие регулиру-
ется подбором толщины прокладок
34. Втулка закреплена в буксе
конусным винтом 21. Снизу в буксу
плотно входит ведущая шестерня 19
масляного насоса, закрепленная дву-
мя конусными винтами 20. В отвер-
стие шестерни, снабженное шлицами,
входит шлицевой вал 18 привода
регулятора, передающий вращение
от вала двигателя. Бронзовая тра-
верса 26 напрессована на верхнюю
часть буксы. В золотниковую втулку
25 вставлен плунжер 27, имеющий
три диска. Диски 29 и 30 точно
пригнаны к центральному отверстию
втулки. Нижний диск плунжера 31
служит для направления. Букса от
осевого перемещения вверх удержи-
вается фланцем 28, прикрепленным
к корпусу регулятора, а вниз —
бронзовой втулкой 39, запрессован-
ной в нижнюю часть корпуса регу-
лятора. Рассмотрим работу регулято-
ра в некоторые характерные момен-
ты.
Пуск дизеля. При пуске дизеля для
ускорения используется пусковой
серводвигатель 16, который пред-
ставляет собой цилиндр, имеющий
две смежные полости: масляную и
воздушную. В воздушной полости
перемещается самоустанавливаю-
щийся поршень большого диаметра,
122
в масляной — малого. Масляная по-
лость сообщается с масляной ванной
и масляной магистралью регулятора.
До пуска дизеля под действием все-
режимной пружины плунжер опущен
вниз и полностью открывает отвер-
стие в канал Б. При нажатии
кнопки «Пуск дизеля» электропнев-
матический вентиль впускает воздух
в воздушную полость серводвигате-
ля. Поршень перемещается вверх и
подает масло в масляную магистраль
регулятора, а оттуда по каналам
А и Б — под силовой поршень
серводвигателя, что позволяет быст-
ро переставить рейки топливных
насосов в положение подачи топли-
ва. Дизель пускается, и устанавли-
вается минимальная частота враще-
ния, соответствующая предваритель-
ной затяжке пружины.
Увеличение нагрузки на дизель.
При увеличении нагрузки на дизель
частота вращения коленчатого вала
и ведущей шестерни регулятора 17
уменьшится. Грузы 7 приблизятся к
оси вращения и опустят плунжер 27.
Масло из масляной магистрали А по
каналу Б поступит в серводвигатель
и поднимет поршень 4 на увеличе-
ние подачи топлива. При движении
силового поршня вверх компенси-
рующий поршень 2 выдавливает
масло из полости над поршнем. По
каналу Г масло поступает в полость
над поршнем 33 золотника 25 и
перемещает его вниз, сжимая пружи-
ну 36. В результате отверстие
против канала Б снова закроется
и дальнейшее движение поршня 4
прекратится. Так как площадь сече-
ния изодромного дросселя 3 невели-
ка, то количество масла в объеме
гидравлической связи уменьшается
постепенно. При этом давление масла
падает и сжатая пружина 36
возвращает золотник 25 до упора.
Плунжер и золотниковая втулка об-
разуют следящую систему, в которой
при перемещении одной из деталей
вторая следует за ней. Если плун-
жер отстанет от втулки, масло будет
продолжать поступать в серводвига-
тель. Подача топлива увеличится,
возрастет угловая скорость колен-
чатого вала и измерителя частоты
вращения. Грузы 7 разойдутся и
поднимут плунжер вверх. В результа-
те золотник и плунжер при новой
нагрузке займут прежнее положение,
а поршни серводвигателя окажутся
в новом положении, соответствую-
щем большей подаче топлива. Изо-
дромная обратная связь обеспечи-
вает степень неравномерности регу-
лятора равной нулю и устойчивость
процесса регулирования.
Увеличение заданной частоты вра-
щения. Воздействием на затяжку
всережимной пружины можно увели-
чить частоту вращения. При увели-
чении затяжки грузы 7 приблизятся
к оси вращения и вызовут те же
действия регулятора, что и при уве-
личении нагрузки. Всережимная пру-
жина 8 имеет нецилиндрическую фор-
му и обладает переменной жест-
костью и нелинейной характеристи-
кой, приближающейся к закону, по
которому изменяется центробежная
сила грузов регулятора. Пружина
переменной жесткости способствует
также улучшению динамических ка-
честв регулятора, обеспечивая быст-
рое затухание колебаний при резком
изменении нагрузки.
Остановка дизеля. Выключением
подачи топлива останавливают ди-
зель. При аварийном состоянии это
производится автоматически регу-
лятором частоты вращения. Полость
под силовым поршнем серводвигате-
ля при нормальной работе дизеля
отключена от сливного канала кла-
пана соленоида. При падении давле-
ния масла в магистрали дизеля цепь
соленоида 5 разрывается и клапан
открывает свободный выход масла
из-под поршня 4. Тогда под дейст-
вием пружины 6 поршень 4 опу-
стится вниз, прекратит подачу топли-
ва и дизель остановится.
Объединенные регуляторы. Суще-
ственное улучшение автоматического
регулирования тепловозного дизель-
генератора может быть достигнуто
применением объединенного регуля-
тора частоты вращения и мощ-
ности. Кроме поддержания заданной
частоты вращения воздействием на
подачу топлива, объединенный регу-
лятор устанавливает также опреде-
ленную нагрузку дизеля воздейст-
вием на возбуждение тягового гене-
ратора. При заданной частоте вра-
щения объединенный регулятор обес-
печивает поступление в цилиндры
постоянного количества топлива. Это
позволяет наиболее полно использо-
вать эффективную мощность дизеля
на тягу поездов. На дизелях 11Д45,
10Д100 типов Д70 и Д49 установле-
ны объединенные регуляторы раз-
личных конструкций. Общим для них
является наличие регулятора мощ-
ности.
Регулятор мощности предназначен
для обеспечения постоянства мощ-
ности тягового генератора путем
изменения его напряжения. Изме-
нение напряжения достигается воз-
действием индуктивного датчика на
возбуждение тягового генератора.
Для возможности автоматической
установки индуктивного датчика в
положение минимального возбужде-
ния при пуске дизеля, трогании
тепловоза, а также при боксовании
в регуляторе мощности имеется от-
ключающее устройство. При работе
отключающего устройства облегчает-
ся пуск дизеля, обеспечивается плав-
ное трогание тепловоза и защита от
боксования.
Объединенный всережимный не-
прямого действия гидромеханичес-
кий регулятор частоты вращения и
нагрузки установлен на дизелях
5Д49. Регулятор автоматически под-
держивает заданный режим работы
дизель-генератора путем воздействия
на рейки топливных насосов и через
индуктивный датчик на контур воз-
буждения тягового генератора, т. е.
автоматически поддерживает задан-
ную частоту вращения коленчатого
вала и заданное выдвижение реек
топливных насосов. Регулятор имеет
центробежный измеритель частоты
вращения, автономную масляную
систему, устройство ступенчатого
15-позиционного электрогидравличе-
123
ского дистанционного управления,
устройство для дистанционной оста-
новки дизель-генератора с пульта
управления тепловозом или при сра-
батывании защиты дизель-генера-
тора и устройство для вывода
якоря индуктивного датчика в поло-
жение минимального возбуждения
тягового генератора.
Масло (рис. 5.39) из масляной
ванны / всасывается масляным на-
сосом 15 и подается в полость акку-
муляторов масла 14 и в каналы
регулятора. Два всасывающих и два
нагнетательных клапана позволяют
работать масляному насосу при лю-
бом направлении вращения привод-
ного вала регулятора.
В установившемся режиме рабо-
ты дизель-генератора центробежная
сила грузов измерителя частоты вра-
щения 13 уравновешивается силой
затяжки всережимной пружины 20.
Золотник 17 своими поясками пере-
крывает окна в подвижной 19 и
неподвижной втулках, вследствие че-
го полость а силового серводвигате-
ля и полость б дополнительного
серводвигателя перекрыты и их
поршни остаются неподвижными.
Подача топлива в цилиндры дизеля
не изменяется. При изменении затяж-
ки всережимной пружины или часто-
ты вращения грузы сходятся или
расходятся, вызывая перемещение
золотника 17.
При перемещении золотника вниз,
что соответствует уменьшению обо-
ротов или увеличению затяжки все-
режимной пружины, поясок золотни-
ка открывает окно в подвижной
втулке 19. Масло сливается из
полости а под поршнем силового сер-
водвигателя, который перемещается
вниз на увеличение подачи топли-
ва в цилиндры дизеля. Посредством
рычажной передачи 2 будет пере-
мещена и подвижная втулка 19
вниз до перекрытия окна пояском
плунжера. Поршень силового сер-
ия/
Рис. 5.39. Схема объединенного регулятора дизеля 5Д49
124
водвигателя, изменив подачу топли-
ва, остановится.
Вт9рой управляющий поясок зо-
лотника, имеющий большую шири-
ну, чем окно в неподвижной втулке,
с некоторым запаздыванием откроет
проход маслу из аккумулятора масла
в полость б под поршнем допол-
нительного серводвигателя, который
переместится вверх. Этой же рычаж-
ной передачей 2 подвижная втулка
будет перемещаться вверх.
Увеличение подачи топлива, вы-
званное перемещением вниз поршня
силового серводвигателя и, следова-
тельно, поворотом вала 3, вызывает
увеличение частоты вращения, и гру-
зы измерителя расходятся, возвра-
щая золотник 17 в исходное поло-
жение. Возвращение золотника и
перемещение подвижной втулки осу-
ществляются одновременно с одина-
ковой скоростью, окно во втулке ос-
тается перекрытым пояском золотни-
ка, и поршень силового серводвига-
теля неподвижен.
Возвращение в исходное положе-
ние золотника и втулки будет про-
исходить до тех пор, пока второй
поясок золотника не перекроет до-
ступ масла в полость б под порш-
нем дополнительного серводвигате-
ля, и поршень остановится. При
перемещении золотника вверх, что
соответствует увеличению частоты
оборотов или уменьшению затяжки
всережимной пружины, поясок золот-
ника открывает окно в подвижной
втулке 19. Масло из аккумулятора
поступает в полость а, и поршень
силового серводвигателя перемеща-
ется вверх на уменьшение подачи
топлива в цилиндры дизеля.
Подвижная втулка посредством
рычажной передачи 2 перемещается
вслед за золотником и перекрывает
доступ масла в полость а. Поршень
останавливается. Второй управляю-
щий поясок золотника откроет слив
масла из полости б, поршень допол-
нительного серводвигателя пере-
местится вниз и посредством той
же рычажной передачи переместит
подвижную втулку вверх. Возвраще-
ние золотника и подвижной втулки
в исходное положение осуществляет-
ся одновременно с одинаковой ско-
ростью, и поршень силового сер-
водвигателя неподвижен. Измери-
тель частоты вращения приводится
во вращение шестеренной переда-
чей и вращается на шейке буксы 16,
установленной неподвижно.
Сектор 18 служит для согласова-
ния взаимного положения поршней
серводвигателей перемещением под-
вижной втулки. Поршень силового
серводвигателя должен занимать
пропорциональное положение отно-
сительно своего верхнего упора, а
поршень дополнительного серводви-
гателя — относительно своего ниж-
него упора.
Частота вращения коленчатого ва-
ла двигателя изменяется с помощью
механизма управления. При пере-
ключении контроллера машиниста
подается или снимается электро-
питание электромагнитов МР1, МР2,
MP3 и MP4. Магниты МР1, МР2 и
MP3 через треугольную пластину
воздействуют на золотник 11. При
этом размер перемещения золот-
ника зависит от комбинации вклю-
ченных и выключенных магнитов.
Магнит MP4 перемещает втулку
золотника 12.
Механизм регулирования нагруз-
ки состоит из золотниковой части
и блока серводвигатель — индуктив-
ный датчик. Так как мощность ди-
зель-генератора зависит от вращаю-
щего момента на коленчатом валу
двигателя и частоты его вращения,
то регулирование сводится к поддер-
жанию постоянными вращающего
момента и частоты вращения. На
каждой конкретной позиции конт-
роллера машиниста должно быть оп-
ределенное выдвижение реек топлив-
ных насосов и соответствующая
частота вращения коленчатого вала.
Поэтому смещение золотника 7,
управляющего положением поршня
4 серводвигателя индуктивного дат-
чика 5, производится как при
изменении заданной частоты враще-
ния, так и при изменении вращаю-
125
щего момента. Привод по частоте
вращения к золотнику 7 осуществ-
ляется через рычаг, опирающийся
шарнирным подшипником на травер-
су поршня 10 и тягу. Привод
по величине вращающего момента
осуществляется от вала 3 силового
серводвигателя через рычаги и тягу
6. Регулятор имеет устройства для
регулировки наклона тепловозной
характеристики (разбивки мощности
дизеля по позициям контроллера).
Винтом 9 регулируется уровень
мощности на номинальной позиции
контроллера, а винтом 8—наклон
тепловозной характеристики.
Дальнейшее совершенствование
регуляторов связано с необходимо-
стью улучшению работы дизелей,
особенно с высоким давлением
турбонаддува, на переходных режи-
мах. На дизелях 5Д49 мощностью
4400 кВт на тепловозах ТЭП75
установлены усовершенствованные
объединенные регуляторы с защитой
дизеля от перегрузки при переход-
ном режиме. Регулятор имеет дат-
чик давления наддува, приводящий
в соответствие мощность дизеля и
давление наддува.
Механизм управления регулято-
ром. Для изменения затяжки все-
режимной пружины регулятора в со-
ответствии с позицией рукоятки
контроллера машиниста и заданной
частотой вращения коленчатого вала
дизеля установлены механизмы уп-
равления регулятором. На дизелях
типов Д50 и 2Д100 применяется
электропневматический серводви-
гатель (рис. 5.40), главный рычаг 8
которого с помощью регулируемой
вертикальной тяги 4 связан с упо-
ром 2 и зубчатым сектором 3
затяжки всережимной пружины /.
В корпусе серводвигателя размеще-
но четыре (на дизелях Д50 и 2Д50—
три) поршня 10. Каждый поршень
при включении электропневматичес-
кого вентиля 11 поднимается на
высоту 13,2 мм и с помощью рыча-
гов 5, 6 и 7 воздействует на
главный рычаг. Главный рычаг опус-
кается под действием пружины 9.
126
Различным положениям контроллера
машиниста соответствуют различные
комбинации включенных вентилей.
При этом различным комбинациям
включенных вентилей соответствуют
определенные подъем главного рыча-
га и затяжка всережимной пружины.
На большинстве тепловозных дизе-
лей с объединенными регуляторами
применяется электрогидравлический
механизм управления, который сос-
тоит из гидравлического серво-
двигателя и электромагнитов, управ-
ляющих положением золотника сер-
водвигателя.
Различным положениям конт-
роллера машиниста соответствуют
различные включения электромагни-
тов МР. При этом различным ком-
бинациям включения электромаг-
нитов соответствует определенное
положение поршня — упора затяж-
ки всережимной пружины регулято-
ра, определяющее заданную частоту
вращения коленчатого вала дизеля.
Электромагниты МР1, МР2 и MP3
через треугольную пластину переме-
щают плунжер золотника, а электро-
магнит MP4 — втулку золотника
(см. рис. 5.39).
Схема электрогидравлического ме-
ханизма управления объединенным
регулятором дизеля 11Д45 приведена
на рис. 5.41. При перемещении
контроллера на увеличение частоты
вращения плунжер 9 опускается вниз
(или втулка 10 поднимается вверх)
и масло из магистрали поступает
в полость над поршнем 2 серво-
двигателя 3 через дроссель 7, кото-
рый уменьшает скорость перемеще-
ния поршня в сторону увеличения
частоты вращения. При этом шток 4
серводвигателя через рычаги 5 и 8
поднимает плунжер вверх в положе-
ние, соответствующее новому поло-
жению поршня серводвигателя. При
задании уменьшения частоты враще-
ния плунжер поднимается вверх
(или втулка опускается вниз) и
масло через шариковый клапан 6
вытекает из полости серводвигателя
в открытое сливное отверстие. Под
действием пружины 1 поршень
Рис. 5.40. Электрон невматический механизм
управления регуляторами дизелей типов Д50
и Д100
Рис. 5.41. Электрогидравлический механизм
управления регулятором дизеля 11Д45
серводвигателя перемещается вверх,
уменьшая затяжку всережимной пру-
жины регулятора. При этом шток
серводвигателя опускает плунжер
вниз в положение, соответствующее
новому положению поршня серво-
двигателя. Нижний поясок плунже-
ра 9 выполнен с перекрышей
относительно сливного окна и имеет
меньший диаметр. Благодаря этому
перекрыша окна слива происходит с
опережением и поршень серводвига-
теля вверх тоже движется плавно.
Механизмы управления топливны-
ми насосами. Механизм состоит из
рычажной передачи, соединяющей
рейки топливных насосов со што-
ками силового поршня серводвигате-
ля регулятора и с предельным вы-
ключателем. Конструкция рычажной
передачи определяется конструкцией
и расположением на дизеле регуля-
тора и топливных насосов.
Современные многоцилиндровые
дизели имеют также механизм вы-
ключения части топливных насосов
при работе на холостом ходу и
малых нагрузках. Необходимость
отключения части топливных насосов
объясняется тем, что при малой пода-
че топлива ухудшается качество его
распыливания, имеют место пропуски
подачи. Кроме того, при низкой
частоте вращения и малых нагруз-
ках дизеля ухудшаются условия
воспламенения топлива в цилинд-
рах. Все это приводит к тому,
что дизель работает неустойчиво,
а несгоревшее топливо попадает на
стенки цилиндров, смывая смазку и
ухудшая условия трения деталей
цилиндро-поршневой группы. Со сте-
нок цилиндров топливо стекает в кар-
тер и приводит к разжижению
масла. Механизм выключения имеет
управление от контроллера машини-
ста и автоматически включает и
выключает топливные насосы в зави-
симости от положения контроллера
машиниста.
Устройства защиты дизеля. Для
аварийной остановки дизеля или сня-
тия нагрузки при превышении пре-
дельной частоты вращения колен-
чатого вала и предельных значений
параметров, приведенных в табл. 5.2
и 5.3, имеются устройства защиты
дизеля. Защита осуществляется для
дизелей, приведенных в табл. 5.2,
только при работе на высоких пози-
циях контроллера машиниста (пк =
= 16).
К устройствам защиты дизеля от-
носятся: предельные регуляторы час-
тоты вращения коленчатого вала,
реле давления масла, дифферен-
ту
Значение параметро для дизелей
2Д100 1 10Д100 14Д40 11Д45 5Д49 2Д70
Таблица 5.2
Параметр
Остановка
Давление масла ниже, кПа 50 50 160 140 60 40
Давление в картере выше, кПа 0,35 0,35 0,30 0,10 0,60 0,60
Частота вращения выше, об/мин 950 980 870 870 1180 1120
Снятие нагрузки
Температура воды выше, °C 90 95 95 95 96 96
Температура масла выше, °C — 85 75 75 88 86
Давление масла ниже, кПа 100 100 220 200 280 300
Таблица 5.3
Параметр Значения параметров для дизелей
2Д50 | ПД1М | М753(6) |VFE17/24| 1Д12 | 310DR
Остановка
Давление масла ниже, кПа 1 150 I 150 I 150 1 50 I 1 250 1 100
Частота вращения выше, об/мин | 870 1 870 1 2000 | 1460 2000 1 840
Снятие нагрузки
Температура воды выше, °C | - 1 88 1 ~ 1 95 | L_- ...1 93
циальные манометры для измерения
давления в картере, температурные
реле. Предельные регуляторы рабо-
тают независимо от регулятора час-
тоты вращения и при превышении
допустимой частоты вращения вык-
лючают подачу топлива в цилиндры
дизеля. Остальные устройства защи-
ты воздействуют на прекращение
или уменьшение подачи топлива
через регулятор частоты вращения
или электрическую схему регулиро-
вания нагрузки.
S.7. ВНУТРЕННИЕ СИСТЕМЫ
ОХЛАЖДЕНИЯ И СМАЗКИ
Системы охлаждения предназначе-
ны для отвода теплоты от стенок
цилиндра, крышки, поршня и других
деталей, нагревающихся от сопри-
косновения с горячими газами и
трения, для поддержания в них
допустимой температуры. Системы
охлаждения двигателей по способу
отвода тепла разделяются на жид-
костные, испарительные и воздуш-
ные. Тепловозные дизели имеют
128
жидкостную систему охлаждения с
замкнутой системой циркуляции.
В качестве охлаждающей жидко-
сти используется пресная кипяченая
отстоенная вода (или конденсат)
без механических примесей с до-
бавлением к ней специальных анти-
коррозионных присадок. Для умяг-
чения воды применяют каустическую
соду и тринатрийфосфат. В качестве
антикоррозионных присадок при-
меняют нитрит натрия. В охлаждаю-
щую воду отводится от 20 до 40 %
тепла, выделяемого при сгорании
топлива. Температура воды в систе-
ме охлаждения оказывает существен-
ное влияние на работу дизеля. При
повышении температуры воды до
определенных пределов (90—95 °C)
повышается эффективная мощность,
снижаются удельный расход топ-
лива и износ цилиндров дизеля. Од-
нако при чрезмерном (выше 90—
95 °C) повышении температуры мощ-
ность дизеля может снизиться, увели-
чится расход топлива и снизится
надежность работы дизеля: воз-
можны задиры цилиндровых втулок
и шеек коленчатого вала, загора-
ние поршневых колец и перегревы
головок поршней.
При эксплуатации тепловозов не-
обходимо поддерживать примерно
постоянную температуру воды, не
допуская как чрезмерного охлаж-
дения (ниже 60 °C), так и перегре-
ва. Охлаждающая вода от водяного
насоса подводится всегда в нижней
части внутренней системы охлажде-
ния дизеля и отводится из высших
точек водяной полости во избежа-
ние образования воздушных и паро-
вых «мешков».
Внутренняя система водяного ох-
лаждения дизеля типа Д100
(рис. 5.42)—это часть контура сис-
темы охлаждения. Вода от водяного
насоса поступает в рубашки выпуск-
ных коллекторов 2. Из коллекторов
вода направляется в водяные по-
лости выпускных коробок 1, а затем
по патрубкам 3 перетекает в полость
охлаждения рубашек 4 и втулок
цилиндров 5. Отсюда через патруб-
ки 7, расположенные с левой стороны
дизеля, вода поступает в коллектор
6 и далее в систему внешнего
охлаждения.
Системы смазки предназначены
для уменьшения потерь на трение,
снижение износа трущихся пар со-
пряженных деталей и для их охлаж-
дения. По способу подвода масла к.
трущимся деталям системы смазки
разделяются на системы смазки с по-
дачей масла разбрызгиванием, сис-
темы смазки с принудительной пода-
чей масла и смешанные. Системы
смазки тепловозных дизелей отно-
сятся к смешанным системам; шатун-
ные и коренные подшипники, под-
шипники распределительного вала,
приводы вспомогательных агрегатов,
верхняя головка шатуна смазывают-
ся принудительно. Втулка цилиндра,
поршень, поршневые кольца, ряд
других деталей, а на двигателях
М753 и М756 втулки верхних
головок шатунов и поршневые паль-
цы смазываются разбрызгиванием.
По месту расположения основного
бака для масла тепловозные дизели
5 Зак. 443
Рис. 5.42. Внутренняя система водяного ох-
лаждения дизелей типа Д100
бывают с мокрым и сухим карте-
рами (дизели М753 и М756).
При сухом картере масло, стекающее
в поддон, отсасывается откачиваю-
щим насосом в бак, стоящий отдель-
но от дизеля. При мокром карте-
ре необходимый для работы двига-
теля запас масла находится не-
посредственно в поддоне.
Дизельное масло заливают в
картер двигателя (или в масляный
бак) до уровня, указанного на масло-
мерной рейке (или масломерном
стекле). Налив масла выше верхних
меток запрещается, так как это ве-
дет к повышенному расходу масла
и увеличенному образованию нага-
Рис. 5.43. Внутренняя система смазки и охлаж-
дения поршня дизеля
129
ра на деталях двигателя. Понижение
уровня масла в картере двигателя
или в масляном баке за пределы
нижних отметок масломерной рейки
или масломерного стекла приводит к
падению давления в масляной систе-
ме дизеля, что может вызвать ава-
рию.
Внутренние системы смазки дизе-
лей представляют системы каналов,
обеспечивающие подвод масла ко
всем механизмам дизеля. Охлажден-
ное и очищенное масло под давле-
нием поступает в масляные коллек-
торы блока дизеля и далее направ-
ляется для смазки трущихся пар
механизмов. На рис. 5.43 показана
внутренняя система смазки шатунно-
кривошипного механизма дизеля.
По трубке 4 масло подводится к
коренным подшипникам 1 коленчато-
го вала 2. Из коренных подшипни-
ков по трубке 3 масло поступает
к шатунным подшипникам 5 и далее
по сверлению в шатуне 6— к верх-
ней головке шатуна для смазки
поршневого пальца 8. На большин-
стве современных дизелей поршни
охлаждаются маслом, поэтому мас-
ло, подведенное к верхней головке
шатуна через ползушку, поступает
в полости поршня 7 для его охлаж-
дения. Из узлов трения и охлаж-
дения масло сливается в маслосбор-
ник дизеля, откуда с помощью
масляного насоса направляется во
внешнюю масляную систему для
охлаждения и очистки.
Г л а в a 6. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДИЗЕЛЯ
6.1. ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА
Назначение и условия работы си-
стемы. Топливная система предна-
значена для хранения дизельного
топлива и подачи его к топливной
аппаратуре (насосам высокого дав-
ления) дизеля. Во внешнюю топлив-
ную систему дизеля любого тепло-
воза входят топливные баки, топли-
воподкачивающие насосы и трубо-
проводы.
Топливная система должна обес-
печивать бесперебойную подачу топ-
лива для работы дизеля в любых воз-
можных режимах его эксплуатации.
Дизельное топливо при транспорти-
ровке и последующем хранении мо-
жет загрязняться, в него может по-
падать пыль из воздуха. Возможно
засорение дизельного топлива и при
экипировке тепловозов, особенно ес-
ли заправка топливного бака произ-
водится одновременно с набором
песка или после этой операции.
В результате в дизельное топливо
могут попасть вредные для работы
системы механические примеси
(главным образом, мелкие частицы
кремне- и глинозема). Эти частицы
имеют очень высокую твердость,
равную или даже превышающую
твердость сталей, применяемых для
изготовления деталей топливной ап-
паратуры. Попадая в зазор между
плунжером и гильзой топливного на-
соса, такие частицы могут заклини-
ваться в нем и при работе насоса
будут истирать поверхности плунже-
ра и гильзы. Заклиниванию частиц
способствует также то, что в момент
подачи топлива под действием его
давления гильза топливного насоса
деформируется, как бы «раздается»,
увеличивая зазор между плунже-
ром и гильзой. В этот увеличенный
зазор (он может быть в два-три
5*
раза больше первоначального, кото-
рый составляет 2—3 мкм) могут про-
никать и более крупные частицы.
После отсечки и падения давления
гильза стягивается и зажимает про-
никшие в зазор частицы.
В результате по мере износа де-
талей плунжерной пары радиаль-
ный зазор между ними возрастает,
увеличиваются утечки и снижается
давление подачи. Все это ухудшает
работу дизеля, увеличивает удель-
ный расход топлива.
Для надежной эксплуатации ди-
зеля необходима постоянная и тща-
тельная очистка топлива, и поэтому
в топливную систему дизеля для
этой цели обязательно включают
топливные фильтры.
Вязкость дизельного топлива силь-
но возрастает при понижении тем-
пературы. Во избежание затрудне-
ний в подаче «загустевшего» топли-
ва в зимних условиях (ведь топлив-
ный бак размещен снаружи теплово-
за под его рамой) в топливные си-
стемы обязательно включают уст-
ройства для подогрева топлива —
топли воподогреватели.
Схема топливной системы. Рас-
положение оборудования и схемы
трубопроводов топливных систем на
большинстве тепловозов примерно
одинаковы. Рассмотрим устройство
топливной системы дизеля серийно-
го тепловоза 2ТЭ10В (рис. 6.1).
Из топливного бака 35 топливо
по трубе 30 через фильтр грубой
очистки 28 засасывается топливопод-
качивающим насосом 27 и нагнета-
ется по трубе 22 в коллектор 16 топ-
ливных насосов высокого давле-
ния 15. По пути топливо проходит
через фильтр тонкой очистки 17.
Топливные насосы 15 подают топли-
во в форсунки 14 (каждый насос в
«свою» форсунку — на схеме услов-
131
25
22
23
25
ft
32
37 35 35
== Слив утечек то пли 8а
---- Марийный топливопровод
вода
Условные обозначения
топливопроводов
=£ Подача топлива к дизелю
=> возврат
= излишнего топлива б бак
_П н
2
11 in ’ini п
_______________uil
Г
-зо
Рис. 6.1. Схема топливной системы ди-
зеля тепловоза 2ТЭ10В
1 »
но показан один насос и одна фор-
сунка). Часть топлива, просачи-
вающаяся через зазоры уплотнений
в насосах и форсунках, сливается по
трубам 10 и 6 в топливный бак.
Для надежной работы топливной
аппаратуры дизеля и всей системы
и возможности бесперебойной по-
дачи топлива подкачивающим на-
сосом температура топлива в баке
даже в зимних условиях должна
быть не менее 30—40 °C (по крайней
мере вблизи от конца трубы 30).
Чтобы топливо в баке разогревалось
при работе дизеля, в системе предус-
мотрена его интенсивная циркуля-
ция. Для этого величина подачи
топливоподкачивающего насоса при-
нимается в несколько раз (обычно
в 2,5—4 раза) больше величины
максимального расхода (потребле-
ния) топлива дизелем. Насос 27 име-
ет индивидуальный привод от элект-
родвигателя 26. Избыток топлива,
минуя топливные насосы, из коллек-
тора 16 проходит по сливным тру-
бам 11 и 4 через корпус топливо-
подогревателя 5 и трубу 29 в топ-
ливный бак.
Струя топлива, подогретого при
прохождении по трубопроводам вбли-
зи работающего дизеля, вытекает
из трубы 29 прямо в раструб вса-
132
сывающей трубы 30, чем обеспечи-
вается прогрев окружающего трубу
объема топлива в месте его забора.
В зимнее время такого прогрева топ-
лива недостаточно для нормальной
работы системы. Поэтому при низ-
ких температурах окружающего воз-
духа предусматривается дополни-
тельный подогрев топлива в топли-
воподогревателе 5 за счет тепла
горячей воды из системы охлажде-
ния дизеля. В летнее время значи-
тельный подогрев топлива (и его
разжижение) ухудшает работу дизе-
ля. Поэтому на сливной трубе 29 ус-
тановлены два крана — 37 и 31. Один
из них — 37 (левый на схеме) —
при открытом положении позволяет
осуществлять слив топлива в бак по
трубе 36, удаленной от всасывающе-
го патрубка.
Для надежного заполнения топ-
ливных насосов высокого давления
в их коллекторе 16 давление топли-
ва должно быть не менее 150 кПа.
Такое давление поддерживается в
коллекторе подпорным клапаном 12,
установленным на трубе 11. Если
давление топлива не достигло необ-
ходимого уровня, клапан препят-
ствует сливу топлива в бак. Давле-
ние топлива в коллекторе контроли-
руется дистанционно с помощью ма-
нометра 13, установленного на щите
приборов в дизельном помещении.
Так как производительность топ-
ливоподкачивающего насоса посто-
янна, а потребление топлива дизе-
лем меняется в зависимости от его
мощности, то при малых нагрузках
и малом потреблении топлива дав-
ление в коллекторе может сущест-
венно возрастать. Для предохра-
нения топливоподкачивающего на-
соса и его двигателя от перегрузки
система имеет возможность пере-
пуска избытка топлива из напор-
ного трубопровода 22 в сливной 4
по трубам 19 и 9 через перепускной
клапан 18, который открывается
при давлении 300—350 кПа. Давле-
ние в напорном трубопроводе конт-
ролируется манометром 21, указа-
тель которого помещен на щите при-
боров дизельного помещения.
При пуске дизеля после длитель-
ной остановки из трубопроводов не-
обходимо удалить воздух. Для этой
цели служит кран 24, который по-
зволяет спустить первые объемы
закачиваемого топлива, насыщенные
воздухом (топливовоздушную эмуль-
сию), в топливный бак по трубам
25, 7 и 6.
Чтобы избежать остановки дизеля
при неисправности топливоподкачи-
вающего насоса, в системе предус-
мотрена возможность аварийного пи-
тания дизеля топливом за счет раз-
режения, создаваемого насосами вы-
сокого давления. В этом случае (при
вышедшем из строя насосе 27) топ-
ливо в обход насоса и фильтра гру-
бой очистки засасывается по тру-
бам 30, 8 и 23 через шариковый кла-
пан 20 (в таком режиме дизель
может работать лишь с ограничен-
ной мощностью и непродолжи-
тельно).
Трубопроводы и оборудование топ-
ливной системы на тепловозах окра-
шиваются в светло-желтый цвет.
Принципиальные схемы топлив-
ных систем большинства тепловозов
аналогичны рассмотренной выше.
У некоторых тепловозов имеются от-
личия, касающиеся, главным обра-
зом, топливоподкачивающих насо-
сов и топливных баков.
Так, на тепловозах 2ТЭ10Л пер-
вых лет выпуска устанавливался до-
полнительно резервный топливопод-
качивающий насос, подключенный
параллельно основному. При неис-
правности основного насоса пере-
ключением двух трехходовых кранов
можно было перевести питание си-
стемы на резервный насос. На теп-
ловозе ТЭП60 в такой ситуации в
качестве резервного топливоподка-
чивающего может быть использован
маслопрокачивающий насос, одно-
типный по конструкции.
На тепловозах 2ТЭИ6 устанавли-
ваются два топливоподкачивающих
насоса. Один из них, с электропри-
водом, используется при пуске дизе-
ля, а при его работе является ре-
зервным. Второй насос имеет меха-
нический привод от вала дизеля и
обеспечивает питание его топливом
при работе.
На некоторых тепловозах топлив-
ная система имеет второй (расход-
ный) топливный бак, находящийся
под капотом тепловоза выше дизеля.
В этом случае применяются два топ-
ливоподкачивающих насоса: один
подает топливо из основного бака
в расходный, а другой — из рас-
ходного бака к дизелю.
Топливные системы новых теп-
ловозов, а также ЧМЭЗ и дизелъ-
поезда Д1, имеют, кроме того, про-
качивающий насос с ручным приво-
дом, применяемый для заполнения
системы после длительной стоянки и
в аварийных случаях.
Оборудование топливных систем
(топливоподкачивающие насосы,
фильтры, баки) на большинстве се-
рийных отечественных тепловозов
практически однотипно.
Топливные баки тепловозов обыч-
но представляют собой сваренные из
стальных листов емкости, которые
подвешиваются снизу к главной
раме тепловоза в ее средней части
между тележками.
Размеры топливного бака огра-
ничены по ширине и высоте габа-
133
ритом подвижного состава, а по
длине — расстоянием между тележ-
ками. Емкость бака при таких ог-
раничениях составляет от 3900 (теп-
ловоз М62) до 8200 л (тепловоз
2ТЭ116). Топливные баки имеют с
обеих сторон тепловоза заливные
горловины 3 (см. рис. 6.1), в кото-
рые вставлены предохранительные
сетки 2. Под днищем бака имеется
отстойник 33, в котором скаплива-
ются тяжелые осадки из топлива.
Отстойник имеет пробку для их
слива.
На верхней поверхности бака
устанавливаются одна-две вентиля-
ционные трубы 32, сообщающие по-
лость бака над уровнем топлива с
атмосферой, что позволяет избе-
жать изменений давления в баке,
как при заправке топлива, так и при
расходовании топлива из бака.
Для увеличения жесткости кон-
струкции топливные баки имеют
внутренние продольные и попереч-
ные перегородки с отверстиями для
сообщения полостей образованных
ими отсеков бака.
Поперечные перегородки, кроме
того, служат для гашения энергии
гидравлического удара всей массы
топлива в торцовую стенку бака
при резком торможении тепловоза.
На боковых стенках бака с обеих
сторон предусматриваются отверстия
для промывки, закрытые пробками.
Топливные баки тепловозов с не-
сущими кузовами (ТЭП60, ТЭП70)
являются элементом конструкции
главной рамы и выполняются заод-
но с ней. В баках новых теплово-
зов устраиваются ниши для разме-
щения аккумуляторной батареи.
Иногда по условиям компоновки
тепловоза топливный бак выполня-
ют из нескольких отдельных емко-
стей, соединенных трубами (напри-
мер, из трех частей — на тепловозе
ТГМЗА).
Количество топлива в баке изме-
ряют с помощью топливомерных ре-
ек 34, расположенных с обеих сто-
рон бака. Топливные баки теплово-
зов последних лет выпуска обору-
134
дуются также топливомерными стек-
лами 1 (также с двух сторон).
На тепловозе ТЭП70 обеспечена
возможность дистанционного (из
кузова тепловоза) измерения объема
топлива в баке. Принцип работы
измерительной схемы основан на
двух положениях гидростатики (см.
п. 2.1): законе Паскаля и основном
уравнении гидростатики (2.11), из
которого следует пропорциональ-
ность избыточного давления в жид-
кости высоте уровня ее свободной
поверхности над точкой измерения.
Дистанционный указатель уровня
(объема) топлива в баке (рис. 6.2)
представляет собой пьезометр (см.
п. 2.1), состоящий из закрытого ре-
зервуара 1 и открытой измеритель-
ной трубки 5 с линейной шкалой 4.
Устройство размещено в машинном
помещении кузова тепловоза.
Труба 2 через тройник соединена
с двумя ответвлениями, открытые
концы которых находятся один —
с — в воздушном пространстве за-
полненного топливом резервуара 1,
другой — Ь — близ дна топливного
бака 6. Через редукционный клапан
и кран 3 в трубу 2 может быть подан
сжатый воздух из тормозной маги-
страли тепловоза.
Так как полость топливного бака
сообщается с атмосферой и на по-
верхность топлива действует атмос-
ферное давление,то полное давление
топлива в баке близ точки b — рь—
будет равно сумме атмосферного ра
и избыточного рИзб = р§Н, пропорцио-
нального высоте h уровня топлива
в баке. Давление воздуха, впускае-
мого в трубу 2, заведомо выше дав-
ления рь при полностью заполнен-
ном баке. Поэтому воздух вытеснит
топливо из ответвления трубы 2 в
топливном баке и будет выходить
из отверстия b через слой топлива
в атмосферу. По мере выхода части
воздуха его давление в трубе 2 и
пространстве резервуара 1 будет сни-
жаться до того момента, когда оно
достигнет величины рь, т. е. когда
давление воздуха в устье трубы
сравняется с давлением окружаю-
щего трубу топлива. Истечение воз-
духа прекратится. Оставшийся объем
воздуха будет замкнут внутри трубы
2 и резервуара /ив нем установится
одинаковое давление. Следователь-
но, давление воздуха внутри резер-
вуара 1 пьезометра рс будет равно
давлению рь. Так как трубка 5
своим концом сообщается с атмос-
ферой, то высота столба топлива в
ней h будет соответствовать высоте
уровня топлива в баке. Это позво-
ляет градуировать шкалу 4 непосред-
ственно в единицах объема.
Точность показаний рассмотрен-
ной схемы зависит от количества
топлива в резервуаре / (так как
градуировка шкалы 4 производится
от определенного его уровня — на-
чала отсчета) и от разности темпе-
ратур топлива в баке 6 и резервуа-
ре /. Если топливо в баке 6 зна-
чительно холоднее, чем в резервуа-
ре 1, находящемся в дизельном по-
мещении, то из-за большего удель-
ного веса топлива в баке измеритель
5 будет показывать завышенные
объемы топлива.
Топливоподкачивающие насосы
служат для подъема топлива из
бака, преодоления потерь давления
в фильтрах и подачи топлива к топ-
ливным насосам дизеля под давле-
нием, гарантирующим надежное за-
полнение их надплунжерного про-
странства, а также для обеспечения
циркуляции топлива в системе. В
качестве топливоподкачивающих на-
сосов тепловозных дизелей обычно
применяют быстроходные шестерен-
ные насосы (см. п. 2.4) с внутрен-
ним зацеплением.
Топливоподкачивающий насос та-
кого типа (рис. 6.3) состоит из чу-
гунного корпуса 9 и крышки 10, име-
ющей серповидный выступ с. В крыш-
ку впрессована ось 11, на которой
свободно вращается ведомая (ма-
лая) шестерня 1. Эта шестерня вхо-
дит в зацепление с внутренним зуб-
чатым венцом 12, составляющим од-
но целое с ведущим валиком 3, ко-
торый соединен с электродвигате-
лем. Наружная цилиндрическая по-
Рис. 6.2. Схема дистанционного указателя
объема топлива в баке тепловоза ТЭП70
верхность зубчатого венца пришли-
фована в расточке корпуса, а вер-
шины зубьев — к нижней поверхно-
сти серповидного выступа с крышки.
Впадины между зубьями венца
сквозные — их дно прорезано.
Топливо через штуцер поступает
в полость а, заполняет впадины
между зубьями и при вращении шес-
терен по часовой стрелке, как по-
казано на рис. 6.3, двумя потоками:
один — между зубьями малой шес-
терни 1 и верхней поверхностью сер-
повидного выступа с, другой —
между нижней поверхностью высту-
па с и цилиндрической поверхно-
стью расточки корпуса 9 — поступа-
ет в полость б, а оттуда — в нагне-
тательную магистраль топливной
системы.
Утечке топлива по валику 3 на-
соса препятствует уплотнительная
проставка, которая состоит из ла-
тунной гофрированной трубки (силь-
135
Рис. 6.3. Топливоподкачивающий иасос
фона) 4, припаянной к бронзовым
втулкам 6 и 8, и пружины 5. Пру-
жина прижимает втулку 8 к стальной
втулке 2, напрессованной на валик 3.
Накидная гайка 7 прижимает при-
тертый поясок втулки 6 к корпусу 9
насоса.
При испытаниях насоса допуска
ется просачивание топлива по уп-
лотнению валика не более одной
капли в минуту.
Топливоподкачивающие насосы на
серийных тепловозах устанавливают-
ся на одном основании с приводным
электродвигателем, образуя так на-
зываемый топливоподкачивающий
агрегат. Производительность топли-
воподкачивающих насосов серийных
магистральных и маневровых тепло-
возов (2ТЭ10В, 2ТЭ116, ТЭЗ, ТЭМ2)
27 л/мин.
На тепловозах ЧМЭЗ шестерен-
ные топливоподкачивающие насосы
с внешним зацеплением имеют меха-
нический привод от вала дизеля.
На дизель-поезде Д1 топливопод-
качивающие насосы центробежного
типа.
Топливные фильтры служат для
постоянной очистки топлива, необ-
ходимой для надежной эксплуата-
ции дизеля на тепловозе. В топлив-
ную систему дизеля обычно включа-
ют не менее трех-четырех топливных
фильтров. В соответствии с назна-
чением их можно разделить на
фильтры предварительной, грубой и
тонкой очистки.
Предварительные фильтры, рас-
полагаемые в горловинах топливных
баков, задерживают лишь очень
крупные частицы. Назначение этих
фильтров (сеток) — исключить воз-
можность засорения топливопрово-
дов.
Фильтры грубой очистки задер-
живают частицы размерами круп-
нее 50—100 мкм. Фильтры тонкой
очистки должны надежно задержи-
вать частицы размерами более 4—
5 мкм.
Все топливные фильтры, приме-
няемые на тепловозных дизелях,
состоят из двух основных частей:
корпуса и фильтрующих элементов.
Независимо от конструкции филь-
трующие элементы должны иметь
минимальное гидравлическое сопро-
тивление, быть компактными, прос-
тыми, не требовать сложного ухода
и служить достаточно долго. Есте-
ственно, что материал фильтрую-
щих элементов должен быть недо-
рогим.
136
Фильтры грубой очистки в топлив-
ных системах большинства серий-
ных тепловозов состоят из двух
цилиндрических корпусов, соеди-
ненных между собой общей крышкой
с трехходовым краном. В каждом из
корпусов размещен фильтрующий
элемент. В зависимости от положе-
ния рукоятки крана возможна ра-
бота фильтра с параллельным вклю-
чением обоих элементов или на лю-
бом (правом или левом) одном эле-
менте. Нормальным режимом явля-
ется работа на обоих элементах
(при вертикальном положении руко-
ятки крана). Работа на одном эле-
менте допускается лишь при неис-
правности другого. Кроме того, кран
используется для отключения эле-
мента при его замене на эксплуа-
тируемом тепловозе.
Фильтрующие элементы в фильт-
рах грубой очистки могут быть раз-
ными.
Сетчато-набивные фильтрующие
элементы, в которых фильтрующей
средой является набивка из хлопча-
тобумажной пряжи — путанки,—
размещенная в кольцевом зазоре
между двумя цилиндрами из сетки,
применялись на ряде серийных теп-
ловозов (ТЭЗ первых выпусков,
ТЭМ1). Качество работы таких эле-
ментов зависит от плотности и рав-
номерности распределения набивки.
На тепловозах ТЭЗ, 2ТЭ10Л (В,
М) и ТЭМ2 применены проволочно-
щелевые фильтрующие элементы в
фильтрах грубой очистки (рис. 6.4).
Рабочий элемент фильтра представ-
ляет собой гофрированный каркас
цилиндрической формы, на который
намотана плотно (виток к витку) в
один слой латунная проволока трапе-
цеидального профиля. Зазоры между
витками проволоки, величина кото-
рых составляет 0,09 мм, и образуют
фильтрующую поверхность. Для уве-
личения площади этой поверхности
каждый элемент имеет два филь-
трующих цилиндра 2 и 4, внешний
и внутренний. Работают они парал-
лельно, пропуская топливо из полос-
ти Б, образованной колпаком 3,
Рис. 6.4. Проволочно-щелевой фильтр грубой
очистки топлива
и пространства между цилиндрами
во внутреннюю полость очищенного
топлива А, откуда топливо отво-
дится по каналу в центральном
стержне.
Фильтрующий элемент уплотня-
ется в корпусе 1 пружиной 5.
На тепловозах с дизелями типа
Д49 (ТЭП70, 2ТЭ116) применяются
однокорпусные фильтры грубой очи-
стки топлива с сетчатыми фильтру-
ющими элементами. Элемент пред-
ставляет набор чечевицеобразных
сетчатых дисков, насаженных на
центральный стержень с внутренним
каналом. Сетка, являющаяся филь-
трующей поверхностью, имеет квад-
ратные ячейки со стороной 0,045 мм.
Фильтры тонкой очистки топлива
на тепловозах с дизелями типов
Д100 четырехсекционные. Секции
фильтра объединены общим чугун-
ным корпусом. На дизеле 2Д100
фильтр установлен вверх секциями,
на дизеле 10Д100 — вниз секциями.
На тепловозах ТЭМ2 применены
двухсекционные войлочные фильт-
ры. Фильтрующий элемент каждой
секции (рис. 6.5) состоит из набора
рабочих 1 и промежуточных 5 плас-
тин, надетых на цилиндрическую
трубку 7, изготовленную из стальной
137
сетки и играющую роль каркаса.
Рабочие пластины изготовляются из
искусственного войлока, промежу-
точные — из более плотного войлока
или картона. Перед установкой плас-
тин на трубку надевается шелковый
чехол для предохранения от попа-
дания волокон войлока в топливную
систему. Пакет пластин зажима-
ется между двумя стальными шай-
бами гайкой. Собранная секция
фильтра устанавливается на внут-
ренний штуцер 2, ввернутый в кор-
пус 3. Секция закрывается колпа-
ком 6, который притягивается стяж-
ным болтом 8 к внутреннему шту-
церу.
Топливо поступает к фильтрующим
пластинам через полость в корпусе
и проходит сквозь войлочные плас-
тины. Очищенное топливо по кана-
лам внутреннего штуцера и корпуса
отводится в топливный коллектор.
Степень сжатия пластин фильтра
сильно влияет на его эффектив-
ность, поэтому ее проверяют дина-
мометром на специальном приспо-
соблении. Пластины при сборке
должны быть сжаты усилием 3—4
кН (при таком уплотнении в элемент
входят 13—14 войлочных пластин).
Опыт эксплуатации показал, что
войлочные фильтры не полностью от-
вечают современным требованиям:
они надежно задерживают частицы
лишь крупнее 20 мкм. Поэтому на
тепловозах типа 2ТЭ10 применяются
более эффективные бумажные филь-
тры тонкой очистки, задерживающие
частицы крупнее 4—6 мкм. Состоя-
ние фильтра на тепловозе (степень
его загрязнения) контролируется по
разности показателей манометров
13 и 21 (см. рис. 6.1).
Фильтрующий элемент тонкой очи-
стки ФЭТО (рис. 6.6) предназначен
Рис. 6.6. Бумажный фильтрующий элемент
тонкой очистки топлива
Рис. 6.5. Секция войлочного фильтра тонкой
очистки топлива
138
для установки в корпус типового
фильтра тонкой очистки. Элемент
представляет собой фильтрующую
перегородку 3 («штору») из двух-
слойной фильтровальной бумаги
(картона БФДТ), размещенную
между наружной 4 и внутренней 2
перфорированными обечайками из
картона, которые соединены торцо-
выми крышками 1 и 5. Фильтрую-
щая поверхность перегородки 3 зна-
чительно увеличена за счет придания
ей особой гофрированной формы.
Такая форма образуется, когда по-
перечные сечения цилиндрического
бумажного «чулка», отстоящие друг
от друга на расстоянии меньше
диаметра, поворачиваются одно от-
носительно другого на определенный
угол (60—90°) и затем сдвигаются
по оси «гармошкой».
Фильтр уплотняется на централь-
ном штуцере несколько измененной
конструкции при помощи сальников
из маслобензостойкой резины. Бу-
мажный фильтрующий элемент не
подлежит очистке и после пробега
50 тыс. км (на текущем ремонте
ТР-1) заменяется новым. Примене-
ние дешевых сменных бумажных эле-
ментов вместо войлочных фильтров
повышает качество очистки топлива
и одновременно уменьшает расходы
по обслуживанию топливной си-
стемы.
Четырехсекционные фильтры тон-
кой очистки топлива со сменными
бумажными элементами типа ФЭТО
установлены на дизелях 1 ОД 100 теп-
ловоза 2ТЭ10В (М).
На тепловозах с дизелями типа
Д49 (2ТЭ116, ТЭП70) применяют
по два двухсекционных фильтра
тонкой очистки топлива, бумажных
или тканевых.
Топливоподогреватели. На тепло-
возах топливоподогреватели пред-
ставляют собой размещаемые в ку-
зове цилиндрические кожухотрубные
теплообменники (см. п. 3.4). Подо-
греватель состоит из цилиндриче-
ского кожуха (обечайки), установ-
ленного в нем пучка трубок с двумя
трубными досками и двух крышек.
По трубкам пропускается вода из
системы охлаждения дизеля. Трубки
снаружи (поперечно) омываются
топливом, протекающим через внут-
ренний объем кожуха между труб-
ными досками. Для обеспечения по-
перечного (перекрестного) обтека-
ния в несколько ходов на пучке
трубок в кожухе установлены по-
перечные сегментные перегородки.
Для улучшения теплоотдачи со
стороны топлива трубки имеют внеш-
нее оребрение (на тепловозах
2ТЭ10В, 2ТЭ116 к стальным трубкам
припаяны коллективные пластинча-
тые ребра).
В летнее время года топливоподо-
греватели отключают от водяной
системы.
6.2. МАСЛЯНАЯ СИСТЕМА
Назначение. Масляная система
(система смазки) дизеля на тепло-
возе выполняет несколько функций.
Главная из них—поддержание не-
обходимого давления масла для
обеспечения жидкостного режима
трения в подшипниках коленчатого
вала и других трущихся узлах ди-
зеля, а также для возможности смаз-
ки его цилиндро-поршневой группы.
Кроме того, масляная система
служит для охлаждения поршней
дизеля и отвода теплоты, образую-
щейся при трении, от смазываемых
узлов дизеля и его агрегатов, а
также для удаления от рабочих
поверхностей трущихся узлов дизеля
продуктов их износа.
Для выполнения этих функций
масляная система должна быть зам-
кнутой, циркуляционной. Она со-
стоит из внутренней смазочной си-
стемы дизеля (она рассмотрена в
предыдущей главе) и внешней си-
стемы, которая обеспечивает цирку-
ляцию, охлаждение и очистку масла.
Условия работы масляной системы
характеризуются несколькими осо-
бенностями.
Масло отводит от дизеля значи-
тельные количества теплоты, экви-
139
Таблица 6.1
Тип дизеля (мощность) Интенсивность отво- да тепла, кВт
в сма- зочное масло, Р» в ох- лаж- даю- щую воду, Рв от надду- вочно- го воз- духа, Р возд
ПД1М 76 427 48
2Д100 390 709 —
10Д100 605 960 395
11Д45А 540 960 212
14Д40 395 698 —
1А-5Д49 (2210 кВт) 423 1032 314
2А-5Д49 (2940 кВт) 535 1070 581
20ДГ (4400 кВт) 605 1570 1023
валентные примерно 25 % эффек-
тивной его мощности (табл. 6.1)
В то же время температура масла
не должна быть слишком высокой
(обычно 60—80, максимально до
85 °C).
Для возможности отвода тепла
масло должно интенсивно циркули-
ровать в системе.
Поэтому подача масляного насоса,
обеспечивающего циркуляцию мас-
ла, определяется из уравнения теп-
лового баланса: количество тепла
Рм, выделяемого в масло в единицу
времени, должно равняться коли-
честву тепла, воспринимаемого мас-
лом с учетом его теплоемкости см
[кДж/(кг-К)]:
Дм = смрм(?мД/„, (6.1)
где рм — плотность масла, кг/м3; Qx —
объемный расход масла (теоретически
необходимая подача насоса), м3/с; Д(„—
разность температур масла на выходе из
дизеля и на входе в него.
Для нормальной работы дизеля
необходимо, чтобы разность темпе-
ратур Д/м была бы не больше
8—15 °C. Тогда, например, для ди-
зеля 10Д100 при см = 2,05 кДж/ (кгХ
ХК), рм = 900 кг/м3 и А/^10°С
„ р» _ 605
гмрмДги “ 2,05-900- 10
= 0,0328 м3/с= 118 м3/ч.
В действительности, насос дизеля
имеет расход 120 м3/ч. Так как в
масляную систему тепловоза 2ТЭ10В
заливается примерно 1500 кг масла
(1,67 м3), то весь объем масла за
час перекачивается 120/1,67 = 72 ра-
за. Таким образом, весь круг цирку-
ляции масло проходит менее чем за
одну минуту. При такой интенсив-
ной циркуляции в масле со временем
протекают различные физико-хими-
ческие процессы, ухудшающие его
свойства («старение» масла).
Масло работает в дизеле в очень
тяжелых условиях. В цилиндрах оно
соприкасается с горячими газами
(температура 1700—2000 °C) нагре-
тыми поверхностями цилиндров и
поршней (температура 300—400 °C).
При этом масло частично сгорает и
коксуется. Часть масла запекается в
виде тонкой лаковой пленки на стен-
ках цилиндров и днищах поршней,
образуя нагар. При работе дизеля ча-
стицы нагара, кокса, сажи, золы под
давлением газов из камеры сгора-
ния через зазоры между гильзами,
поршнями и поршневыми кольцами
попадают в картерное масло и накап-
ливаются в нем.
Масло, в процессе циркуляции сте-
кающее из поршней в картер, раз-
брызгивается и в мелкораздроблен-
ном капельном состоянии, соприка-
саясь с воздухом картера, окисля-
ется. При окислении масла в нем
образуются как твердые частицы, так
и густые смолистые осадки, которые,
отлагаясь на стенках маслопрово-
дов, стесняют их сечения и затруд-
няют циркуляцию масла.
Кроме того, в масло постоянно по-
падают мелкие металлические час-
тицы, являющиеся результатом из-
носа, истирания поверхностей дета-
лей дизеля и его агрегатов. Они
усиливают износ трущихся деталей
при циркуляции масла.
Важной особенностью всех твер-
дых частиц любого происхождения,
накапливающихся в смазочном мас-
ле, является их высокая дисперс-
ность— большинство их имеют раз-
меры не более 1—2 мкм.
140
В результате накопления твердых
частиц, продуктов сгорания и окис-
ления масло ухудшает свои сма-
зочные свойства. Так называемое
«старение» масла в процессе рабо-
ты требует периодической его за-
мены, так как «состарившееся» мас-
ло не только не уменьшает износа
трущихся деталей дизеля, но и может
способствовать его усилению из-за
высокого содержания абразивных
частиц.
Для продления срока службы
масла, для того чтобы оно отвечало
своему назначению — уменьшению
трения и износа деталей дизеля,—
из него необходимо отделять на-
капливающиеся твердые частицы и
осадки. При хорошей очистке срок
службы масла может быть продлен
в два-три раза с одновременным
уменьшением износа деталей дизеля.
Очистка масла в системах смазки
тепловозных дизелей осуществляется
путем непрерывной его фильтрации.
Для надежности очистки система
фильтрации масла состоит обычно
из нескольких различных фильтров,
включенных последовательно или
параллельно.
Таким образом, масляная систе-
ма тепловоза должна включать в
себя масляные насосы, охлаждаю-
щие устройства, фильтры, трубопро-
воды, контрольные, регулирующие
и защитные приборы. Из-за слож-
ности системы масляные насосы
должны развивать достаточно вы-
сокое давление (до 0,5—0,8 МПа).
Типы масляных систем. Отдельные
элементы масляной системы (насо-
сы, фильтры,теплообменники) могут
соединяться между собой по-раз-
ному, в зависимости от особенностей
их конструкции.
Обычно в системе используется
один масляный насос. В этом случае
основной поток масла, используемый
для смазки дизеля, из масляной
ванны дизеля 1 (рис. 6.7, а) засасы-
вается насосом 3, проходит последо-
вательно через охлаждающее устрой-
ство 4 (радиатор или теплообменник)
и фильтр грубой очистки 2 и посту-
пает в раздаточные коллекторы внут-
ренней системы смазки дизеля. Сте-
кая из узлов дизеля в масляную
ванну, масло замыкает свой круг
циркуляции. В этой схеме весь поток
циркулирующего масла проходит
лишь через фильтр грубой очистки 2.
Фильтр тонкой очистки 5 включен в
систему параллельно основному по-
току, поэтому в нем за каждый цикл
циркуляции очищается лишь не-
большая часть потока масла (3—
5 %). Однако высокая интенсивность
циркуляции приводит к тому, что и в
этих условиях фильтр тонкой очистки
непрерывно уменьшает содержание
механических примесей в циркули-
рующем масле.
В данной схеме давление, разви-
ваемое одним насосом, должно
быть достаточным, чтобы преодо-
леть все гидравлические сопротивле-
ния элементов системы.
Протяженный путь циркуляции
масла затрудняет надежную смазку
всех узлов ввиду ограниченного дав-
ления насоса.
С целью снижения общего уровня
давления масла в системе могут быть
применены два последовательно
включенных циркуляционных насоса.
Этим достигается возможность под-
Рис. 6.7. Принципиальные схемы масляных систем тепловозных дизелей:
а — с одним иасосом; б н в — с двумя насосами
141
держания более высокого давления
масла в подшипниках без повышения
его в охлаждающих устройствах и
фильтрах.
В дизеле типа Д70 тепловоза ТЭ40
масляная ванна картера разделена
на два отсека. Из отсека а (рис.
6.7, б) нагретое в дизеле масло
откачивается насосом 3 и через
фильтр грубой очистки 2 и охлаж-
дающее устройство 4 нагнетается в
отсек б картера дизеля /. Из отсе-
ка б насосом 3' охлажденное масло
через фильтр 2' нагнетается во внут-
реннюю систему смазки дизеля. В
этой схеме каждый насос работает
в своем контуре.
В масляной системе дизеля
2А-5Д49 тепловоза ТЭП70 оба на-
соса 3 и 3' (рис. 6.7, в) включены
последовательно в одном общем
контуре: масляная ванна картера
дизеля /, насос 3, теплообменник 4,
насос 3', фильтр 2 и раздаточный
коллектор дизеля.
Масляная система тепловоза
2ТЭ10В. В системе установлен один
масляный насос, и в основном кон-
туре смазки дизеля масло цирку-
лирует в полном соответствии со схе-
мой рис. 6.7, а. Однако действитель-
ная схема масляной системы тепло-
воза 2ТЭ10В (рис. 6.8) выглядит
значительно сложнее, главным обра-
зом за счет наличия ряда вспомога-
тельных ветвей.
Главный масляный насос 25 пода-
ет масло из поддона дизеля по тру-
бе 52 в охлаждающее устройство—
водомасляный теплообменник 11. Да-
лее по трубе 55 охлажденное масло
проходит в фильтр грубой очистки
44 и по трубе 41 поступает в раз-
даточные коллекторы 28 дизеля.
Давление масла после насоса при
полной мощности дизеля составляет
0,5 МПа и может колебаться от 0,35.
до 0,6 МПа в зависимости от состоя-
ния системы и температуры масла.
В случаях переохлаждения масла и
увеличения сопротивления его про-
теканию через теплообменник или
при загрязнении последнего, когда
перепад давлений на нем превышает
0,15 МПа, перепускные клапаны 8
и 10 открывают прямой путь для
. *— ^47
Условные обозначения трубопроводов
Смазка дизеля -**- Тонкая очистка
смазка редукторов прочие
j=-±s- Слив 6 поддон
-----Подключение приборов
Рис. 6.8. Схема масляной системы тепловоза 2ТЭ10В
142
масла из трубы 52 в трубу 55 в об-
ход теплообменника 11.
С основным контуром смазки ди-
зеля связаны и другие части си-
стемы: контуры тонкой очистки
масла и прокачивания его перед
пуском, а также контур смазки
редукторов и т. д.
Система имеет два независимых
друг от друга контура тонкой очистки
масла. От трубы 52 при циркуляции
масла в системе небольшая часть
потока масла (до 4 %) через дрос-
сель диаметром 10 мм отводится в
фильтр тонкой очистки 51. Пройдя
фильтр, масло возвращается в под-
дон дизеля. Второй контур тонкой
очистки масла не связан с контуром
смазки дизеля и имеет собственный
циркуляционный насос 24, размещен-
ный конструктивно на заднем рас-
пределительном редукторе 49. Насос
24 засасывает масло из поддона
дизеля и направляет его в центри-
фугу 26, откуда очищенное масло
сливается снова в поддон. Необхо-
димость установки отдельного насоса
в этом контуре вызвана тем, что дав-
ление главного насоса (0,5 МПа)
недостаточно для эффективной ра-
боты центрифуги. Для надежности
ее работы производительность насо-
са 24 (12 м3/ч) выбрана больше
пропускной способности центрифуги
(около 5 м3/ч). Давление насоса 24
поддерживается на уровне 0,85—
1,04 МПа при помощи разгрузочного
клапана 53, который перепускает
избыток масла в нагнетательную
трубу 52 основного контура.
Для того чтобы заполнить систему
маслом перед пуском дизеля и под-
вести смазку ко всем трущимся час-
тям до начала работы, в масляную
систему включен маслопрокачиваю-
щий агрегат, состоящий из насоса 39
и индивидуального электродвигате-
ля. Маслопрокачивающий насос 39
по трубе 40 засасывает масло из
поддона дизеля и подает его через
обратный клапан 42 (пропускающий
масло лишь в этом направлении) и
фильтр грубой очистки 44 к дизелю.
До пуска дизеля для надежной
смазки его узлов агрегат должен
проработать не менее 90 с. Во время
работы дизеля трубопровод масло-
прокачивающего насоса отключает-
ся от системы клапаном 42.
Смазка редукторов привода вспо-
могательных механизмов осущест-
вляется на тепловозе от основного
контура смазки дизеля через предох-
ранительный клапан 43, подключен-
ный к трубе 41 за фильтром грубой
очистки 44. (Клапан 43 предохра-
няет редукторы от переполнения мас-
лом при прокачивании смазки. Он
отрегулирован на давление 0,07—
0,08 МПа, в то время как маслопро-
качивающий насос развивает давле-
ние лишь до 0,05 МПа. Поэтому при
работе этого насоса редукторы от-
ключены от системы.) От клапа-
на 43 масло разводится к переднему
редуктору 34 (по трубе 38, через вен-
тиль 37 и редукционный клапан 36),
к угловому редуктору 3 привода вен-
тилятора холодильника и заднему
редуктору 49 (через вентиль 47
и редукционный клапан 48 и далее
соответственно по трубе 2 или 50),
а также к гидромуфте вентилятора
холодильника (по трубе 1 через за-
порный клапан 45, связанный с систе-
мой автоматического регулирования
температуры охлаждающих жидко-
стей и дроссель диаметром 5 мм).
Вентиль 46 дублирует клапан 45 на
случай его поломки. По трубе 4 масло
сливается в поддон дизеля.
Редукционные клапаны 36 и 48
понижают давление масла, идущего
в редукторы, до 0,04—0,07 МПа, в
то время как на питание гидромуфты
масло поступает через дроссель под
давлением 0,07—0,12 МПа.
Из картеров редукторов нагретое
масло возвращается в поддон дизе-
ля по трубе 56 (от переднего редук-
тора — по трубам 35 и 40) под на-
пором встроенных в редукторы ло-
пастных масляных насосов, обеспе-
чивающих работу их внутренних
систем смазки.
Защитные и измерительные устрой-
ства в масляной системе. Для защи-
ты дизеля от работы при недоста-
143
точном давлении масла предусмотре-
ны два реле давления масла 27,
подключенные к верхнему коллек-
тору 28. От чрезмерного повышения
температуры масла дизель защищает
термореле 23, снимающее при тем-
пературе масла 85 °C нагрузку с
главного генератора.
На схеме системы наглядно по-
казано размещение измерительных
приборов. Давление масла контро-
лируется в нагнетательной трубе 52
манометром 13, до фильтра грубой
очистки — манометром 20, после
фильтра — манометром 14, до фильт-
ра тонкой очистки — манометром 17.
Аэротермометр 18 показывает темпе-
ратуру масла после охлаждающего
устройства. Давление масла перед
редукторами измеряется манометра-
ми 12 и 33, перед центрифугой —
манометром 21, давление питания
гидромуфты — манометром 22. Ма-
нометры 15 и 16 показывают давле-
ние масла в турбокомпрессорах. Оно
должно быть не ниже 0,22 МПа.
Перепад давлений между мано-
метрами 20 и 14 более 0,15 МПа
указывает на загрязнение фильтра
грубой очистки. Манометры 12—17,
20—22 и аэротермометр 18 установ-
лены на щите приборов 19 в дизель-
ном помещении тепловоза.
Электроманометр 32 на щите при-
боров 29 пульта управления контро-
лирует давление масла в коллекторах
дизеля, оно должно быть не ниже
0,18 МПа. Указатель электромано-
метра 9, показывающий это же дав-
ление, вынесен на пульт управления
второй секции. Аналогично электро-
манометр 31 показывает давление
масла в коллекторах дизеля второй
секции. На пульте также помещен
указатель электротермометра 30
(температура масла на выходе из ди-
зеля должна быть в пределах 65—
80 °C).
К масляной системе подключен
также терморегулятор 5 системы ав-
томатического регулирования темпе-
ратуры охлаждающих жидкостей.
Горячее масло из трубы 52 по тру-
бе 54 проходит через термочувстви-
тельный элемент регулятора, нагре-
вая его, в трубу 55. К сервомотору 6
терморегулятора для его работы мас-
ло подводится от насоса 24 центрифу-
ги по трубе 7 и отводится в трубу 56.
Особенности масляных систем дру-
гих тепловозов. Схемы масляных
систем тепловозов ТЭЗ, ТЭП60,
ТЭМ2 принципиально не отличаются
от описанной выше.
Большая часть оборудования мас-
ляных систем дизелей типа Д49 (на-
сосы, фильтры, центрифуги и теп-
лообменники) размещается непо-
средственно на дизеле. Поэтому
внешняя часть этих систем состоит
только из контура для прокачивания
масла и трубопроводов для ее за-
правки, а также при применении
бумажных фильтров включает и
контур тонкой очистки масла.
Трубопроводы и оборудование ма-
сляных систем на тепловозах ок-
Таблица 6.2
Параметр Значение параметров для тепловозов
2ТЭИ)В(Л) ТЭЗ ТЭП60 ТЭМ2 ТГМЗА 2ТЭ116 ТЭП70
Подача масляного на- соса, м3/ч: Подача маслопрокачи- вающего насоса, м3/ч Тип фильтра грубой очистки Тип фильтра тонкой очистки Масса масла в системе, кг 120 12 Пластин ле Центро и бум 1500 120 12 чато-те- зой бежный ажный 1200 80 12 Сетча- тый Центро- бежный 1060 24 1.6 Пластин лев Сетча- то-на- бивной 430 67 1,6 чато-ще- ой Сетча- тый 250 но 12 Сетча Центроб и бума! 1000 110 12 тый ежный кный 1000
144
рашиваются в оранжево-желтый
цвет. Технические данные масляных
систем тепловозов приведены в
табл. 6.2.
Масляные насосы. Насосы обес-
печивают циркуляцию масла в си-
стеме или в отдельных ее частях.
На современных тепловозных дизе-
лях все масляные насосы шестерен-
ного типа. Принцип действия тако-
го насоса рассмотрен в гл. 2.
Рабочими элементами главного
масляного насоса дизелей типов Д49,
Д70 и Д100 (рис. 6.9) служат косо-
зубые шестерни 11 и 12, выполнен-
ные заодно со своими валами. Шес-
терни размещены в литом чугунном
корпусе 10 и своими цапфами опи-
раются на роликоподшипники 9,
установленные в подшипниковых
планках 5 и 6, ограничивающих кор-
пус с торцов. Корпус насоса своими
фланцами соединяется с трубопро-
водами системы смазки.
Ведущая шестерня приводится во
вращение от нижнего коленчатого
вала дизеля через систему шестерен
привода насосов: поводок 4, наса-
Рис. 6.9. Главный масляный насос
145
женный на шлицах на цапфу веду-
щей шестерни, соединяется зубча-
той муфтой с валиком привода
масляного насоса. Рабочие шестер-
ни насоса находятся в зацеплении,
т. е. ведущая вращает ведомую.
В косозубом зацеплении неизбежно
появление осевых сил из-за наклона
зубьев. В масляном насосе с косозу-
быми шестернями на ведущую шес-
терню действует не только эта сила,
но и осевая составляющая сил про-
тиводавления масла. Для компенса-
ции осевых сил насос имеет раз-
грузочное устройство, состоящее из
поршня 7, установленного в расточке
крышки 8. Полость М между крыш-
кой и поршнем через канал в первой
сообщается с нагнетательной по-
лостью насоса Н. В результате сила
давления нагнетаемого масла на пор-
шень 7, передаваемая через упор-
ный шарикоподшипник на цапфу ве-
дущей шестерни //, препятствует
ее перемещению в осевом направ-
лении. Масло, просачивающееся
как из рабочей полости насоса, так
Рис. 6.10. Секция пластинчато-щелевого
фильтра грубой очистки масла
146
и из полости М разгрузочного устрой-
ства в полость крышки 8, отво-
дится по каналам в планке 6 и кор-
пусе 10.
Давление масла, нагнетаемого
насосом в систему смазки, ограни-
чивается предохранительным клапа-
ном, состоящим из корпуса 2,
поршня 3 и пружин 1. Клапан отре-
гулирован на давление 0,55 МПа.
Дизели Д49 и Д70 имеют по два
масляных насоса аналогичной кон-
струкции, отличающихся разме-
рами.
Вспомогательные маслопрокачи-
вающие насосы имеют принципи-
ально такую же, как и главные, кон-
струкцию. Эти насосы выполняются
в виде отдельных агрегатов с инди-
видуальными электродвигателями и
имеют небольшую производитель-
ность.
Масляные фильтры. В масляных
системах дизелей тепловозов серий
ТЭ10, ТЭЗ и ТЭМ2 применяются сле-
дующие конструктивные типы филь-
тров: пластинчато-щелевые и сет-
чатые (грубой очистки), фильтры
тонкой очистки с бумажными элемен-
тами, а также центробежные очис-
тители масла (центрифуги).
Для грубой очистки масла на
тепловозах обычно применяют плас-
тинчато-щелевые фильтры. Фильтры
дизелей типа Д100 состоят из десяти
элементов — секций 3 (рис. 6.10),
смонтированных в горизонтальную
перегородку корпуса фильтра. Каж-
дая секция фильтра имеет цилинд-
рический стержень 2, на который
надето несколько сотен стальных
пластин 5 толщиной 0,3 мм и проме-
жуточных пластин (проставок) 6
толщиной 0,15 мм. Пластины постав-
лены, чередуясь через одну.
Рабочий элемент секции пластин-
чато-щелевого фильтра представ-
ляет собой цилиндрическую поверх-
ность со щелями, высота которых
равна толщине проставок, т. е.
0,15 мм. Принцип работы фильтра
состоит в пропуске масла через щели
между пластинами. Твердые части-
цы, имеющие размеры более высоты
щелей, задерживаются на наружной
поверхности фильтрующего элемен-
та, меньше — проходят через него.
Частицы, имеющие размеры, близ-
кие к высоте щели, могут застревать
в щелях, забивая фильтрующую по-
верхность. Поэтому в щель между
каждой парой рабочих пластин
вставлена с одной стороны неболь-
шая пластинка — нож 7—толщиной
0,1 мм. Набор ножей на квадрат-
ном стержне 8 образует своеобраз-
ную неподвижную щетку. При пово-
рачивании набора пластин за руко-
ятку на стержне 4 все щели про-
чищаются.
Масло, поступившее под давлени-
ем в нижнюю полость корпуса
фильтра, проходит в щели между
пластинами 5 внутрь секций и через
окна в них — в верхнюю полость кор-
пуса фильтра.
При сильном загрязнении фильт-
ра давлением масла открывается пе-
репускной клапан, установленный в
перегородке корпуса фильтра. В
этом случае в систему дизеля будет
поступать неочищенное масло. Что-
бы не допустить этого, необходимо
периодически проворачивать стерж-
ни 2 секций фильтров (за руко-
ятку /) на несколько оборотов и
этим удалять загрязнения из щелей
между пластинами.
Сетчатые дисковые фильтры гру-
бой очистки (рис. 6.11, а) применя-
ются на тепловозах с дизелями ти-
пов 11Д45 и 5Д49 Коломенского
тепловозостроительного завода.
Секция фильтра состоит из набора
двусторонних сетчатых дисковых эле-
ментов 1, установленных на цент-
ральной трубе 2. Масло, проходя
через элементы снаружи, поступает
в трубу 2.
Сетчатый элемент (рис. 6.11, б)
состоит из гофрированной диафраг-
мы 3 с отверстиями для прохода
масла, двух двойных сеток (с каж-
дой стороны), внешней 4 (филь-
трующей) и внутренней 6 (более ред-
кой, несущей), завальцованных во
внутренние 7 и наружный 5 ободки.
Качество очистки определяется раз-
мером ячейки фильтрующей сетки,
он равен 0,14 мм.
Сетчатые дисковые фильтры обла-
дают большой величиной площади
поверхности на единицу объема и
поэтому имеют меньшие габариты по
сравнению с пластинчато-щелевыми.
Однако их недостатками является
трудность очистки от загрязнений
и невозможность очистки без раз-
борки фильтра.
Фильтр тонкой очистки с бумаж-
ными элементами (рис. 6.12) пред-
ставляет сварной цилиндрический
корпус 7 с двойным дном. Сквозь
перегородку 9 проходят семь пусто-
телых стержней 4. На каждый стер-
жень надето по четыре фильтрующих
элемента 8. Элемент состоит из
картонной ленты 6 с отверстиями,
свернутой спиралью и обтянутой с
обеих сторон согнутыми вдвое двумя
полосами фильтровальной бумаги 3.
Бумажные полосы по краям склеи-
Рис. 6.11. Фильтр грубой очистки масла с дисковыми
элементами
147
Рис. 6.12. Бумажный фильтр тонкой очистки
масла
ваются при навивке. Весь элемент
для жесткости охвачен картонной
полоской 2.
Масло входит в корпус фильтра
через патрубок 1 и просачивается
через бумажные поверхности элемен-
тов. Очищенное масло проходит по
отверстиям в ленте 6 внутрь стерж-
ней 4, а из них в нижнюю полость
фильтра. Для предупреждения чрез-
мерного возрастания перепада дав-
лений между полостями неочищенно-
го и очищенного масла (при низкой
температуре масла), что может при-
вести к разрыву бумаги, например,
при пуске дизеля, в корпусе фильтра
установлен перепускной клапан 5, от-
регулированный на давление 0,25
МПа.
Бумажные фильтры задерживают
частицы загрязнений размерами
крупнее 20—30 мкм. Бумажные эле-
менты не подлежат очистке и по-
вторному использованию после за-
грязнения (пробега примерно 50 тыс.
км), они должны быть заменены но-
выми (при выполнении текущего
ремонта ТР1).
148
На тепловозах 2ТЭ116 в опытном
порядке применяются фильтры тон-
кой очистки из синтетических филь-
трующих материалов. Элементы
фильтра (типа «Нарва-6») кон-
структивно выполнены по типу рас-
смотренного выше фильтрующего
элемента тонкой очистки топлива
ФЭТО (см. рис. 6.6). Их гофриро-
ванная фильтрующая штора также
защищена наружной и внутренней
цилиндрическими обечайками из пер-
форированного картона. Эти фильт-
ры также не восстанавливаются и
подлежат замене после загрязнения.
Фильтрующий слой элементов типа
«Нарва-6» менее плотен, чем филь-
тровальная бумага. Его гидравличе-
ское сопротивление значительно ни-
же, что позволяет включать такие
фильтры в масляную систему после-
довательно на полный поток масла
(полнопоточный фильтр).
Центробежная очистка масла.
Действие рассмотренных фильтров
грубой и тонкой очистки основано
на использовании именно процесса
фильтрации, т. е. процеживания
жидкости через пористую перего-
родку или среду. При этом все час-
тицы, имеющие размеры больше
размеров пор фильтра, им задер-
живаются. Чем мельче поры, тем
меньшие частицы задерживает
фильтр, но, естественно, и тем боль-
шее сопротивление он оказывает про-
теканию масла. Именно поэтому и
приходится включать бумажные
фильтры тонкой очистки масла па-
раллельно, а не последовательно.
Однако и этими самыми плотными
фильтрами невозможно отфильтро-
вать из масла мельчайшие метал-
лические частицы, образующиеся
при изнашивании подшипников, пор-
шневых колец и т. п. Их размеры,
как уже говорилось, в основном
меньше 1—2 мкм. Такие частицы
свободно проходят через поры в
фильтровальной бумаге. Для их от-
деления можно использовать силы
тяжести, так как любая металли-
ческая частица весит примерно в
10 раз больше, чем вытесняемый
ею объем масла. Однако из-за боль-
шой вязкости масла процесс от-
стаивания протекает долго, а при
движении масла вообще невозмо-
жен. Поэтому для возможности от-
деления твердых частиц необходимо
поместить поток масла в поле дей-
ствия сил, во много раз превышаю-
щих поле сил тяготения. Такими
силами могут быть центробежные
силы во вращающемся с большой
скоростью цилиндре. Так и работают
центробежные очистители. Их нель-
зя называть фильтрами. Они не
фильтруют масло, а «сепарируют»
его, выделяя из него более тяже-
лые твердые частицы.
Центробежный очиститель (рис.
6.13) представляет собой центрифу-
гу, в которой масло проходит через
вращающийся с очень большой час-
тотой (более 6000 об/мин на дизелях
типа Д100) ротор. В результате
взвешенные в масле частицы под
действием поля центробежных сил,
в тысячи раз превышающих их
силы тяжести, выделяются в виде
плотного слоя на внутренней по-
верхности ротора.
Масло нагнетается во входной
штуцер 8 фильтра. Вокруг непод-
вижного стержня 4 на двух под-
шипниках 5 вращается ротор. Ро-
тор состоит из корпуса 2, крышки 6
и двух трубок 3, в нижней части
которых имеются сопла 1, выступаю-
щйе наружу ротора на его днище.
Нижняя часть стержня 4 выполнена
пустотелой и имеет три отверстия 7.
Масло под давлением 0,8—1,0 МПа
проходит в полость стержня 4 и по
отверстиям 7 поступает в полость
ротора, заполняя ее. При движении
масла вверх во вращающемся ро-
торе проходит процесс сепарации
частиц к внутренней поверхности ро-
тора. Затем масло попадает в
трубки ротора и проходит к двум
соплам 1. При истечении масла из
сопел создается реактивный момент,
под действием которого и вращается
ротор. Очищенное масло стекает
из корпуса центрифуги через фла-
нец 9 в поддон дизеля.
Рис. 6.13. Центробежный
очиститель масла (центри-
фуга) дизеля 1 ОД 100
Реле давления масла. Реле защи-
щают дизель от возможности уско-
ренного износа при снижении дав-
ления масла в системе ниже предель-
ного уровня, гарантирующего смаз-
ку подшипников. Причины падения
давления могут быть разными (раз-
жижение масла топливом или при
повышении его температуры, утечки,
увеличение зазоров в подшипниках
и т. п.).
В масляных системах дизелей теп-
ловозов 2ТЭ10В(Л) и ТЭЗ приме-
нены по два реле давления масла:
реле сброса нагрузки с главного
генератора (РДМ2) и реле оста-
новки дизеля (РДМ1). Эти реле од-
нотипны и различаются лишь кон-
струкцией электрических контактов
и режимом настройки. Оба реле
установлены на блоке дизеля около
первого цилиндра.
149
Реле остановки дизеля регулиру-
ется на отключение при давлении
масла в верхнем коллекторе ниже
0,05 МПа и на включение при
0,06 МПа, реле сброса нагрузки—
соответственно на 0,1 и 0,12 МПа
(нагрузка снимается при работе на
позициях контроллера выше 12-й).
В масляных системах дизелей теп-
ловозов 2ТЭ116 и ТЭП70 реле сброса
нагрузки настроены на более высо-
кие давления масла (0,3 МПа), дей-
ствуют они тоже только на высоких
позициях рукоятки контроллера. При
падении давления до 0,1 МПа и ма-
лых нагрузках дизеля третье реле
давления масла включает сигналь-
ную лампу «Давление масла» на
пульте машиниста.
Кроме того, имеется и четвертое
реле давления масла — пусковое,
допускающее пуск дизеля при дав-
лении масла не менее 0,01 —
0,03 МПа.
Устройства для охлаждения масла.
Для отвода тепла от масла к воздуху
в масляных системах используются
водомасляные теплообменники, а
также масловоздушные радиаторы,
применяемые на некоторых теплово-
зах. Принцип действия и особенно-
сти конструкции этих узлов рассмот-
рены ниже (см. «Охлаждающие
устройства для воды, масла и воз-
духа»).
6.3. ВОДЯНАЯ СИСТЕМА
Назначение. Водяная система слу-
жит для отвода и рассеивания в ат-
мосферу избыточной теплоты от не-
подвижных деталей рабочего меха-
низма (гильз и крышек цилиндров),
а также от выпускных коллекторов
дизеля во избежание их чрезмер-
ного нагрева. Вода охлаждает эти
детали дизеля при помощи его внут-
ренней системы охлаждения (см.
гл. 5) и переносит теплоту в ох-
лаждающие устройства (радиато-
ры), где она передается атмосфер-
ному воздуху. Таким образом, во-
дяная система должна быть замкну-
150
той. Циркуляцию воды в ней обес-
печивает водяной насос.
На ряде тепловозов водяная си-
стема используется для отвода
тепла от водомасляного теплообмен-
ника (т. е. от масляной системы) и
охладителя наддувочного воздуха.
Условия работы водяной системы
характеризуются большими количе-
ствами тепла, выделяемыми в воду
в тепловозных дизелях (см. табл.
6.1).
Температура воды в дизелях долж-
на находиться, как правило, в диа-
пазоне 65—80 °C (максимально до
95 °C — в открытых системах серий-
ных тепловозов). Чтобы в нагретых
массивных деталях дизеля не воз-
никали значительные дополнитель-
ные напряжения, разность темпера-
тур воды на выходе из дизеля и
входе в него принимается неболь-
шой (А/в = 5—10 °C). Это требует
интенсивной циркуляции воды в си-
стеме, как следует из уравнения теп-
лового баланса:
Р„ = CbPbQbA tB, (6.2)
где Р3 — количество теплоты, выделяе-
мой в воду в дизеле, кВт (см. табл. 6.1);
св = 4,187 кДж/(кг-К)—удельная теп-
лоемкость воды; рв= 1000 кг/м3 — плот-
ность воды; —теоретическая (рас-
четная) подача водяного насоса, м3/ч.
Тогда, например, для дизеля
10Д100 при Д(в = 6 °C
₽в _ 960 _
сврвД/в — 4,187 • 1000 • 6 —
= 0,038 м3/с = 137,6 м3/ч.
В действительности с учетом за-
паса насос имеет производитель-
ность 150 м3/ч, при которой перепад
температур воды в системе будет
около 5,5 °C.
Типы водяных систем. В общем
случае на тепловозе (рис. 6.14) вода
может использоваться для отвода
тепла от трех его источников: дизе-
ля Д, водомасляного теплообменни-
ка ВМТ и воздухоохладителя ВО.
Источники тепла могут быть включе-
ны в водяную систему по-разному.
В связи с этим водяная система
Рис. 6.14. Схемы водяных систем тепло-
возных дизелей:
а—трехконтурная; б—двухконтурная; в—
одноконтурная
может быть трехконтурной, когда
для каждого источника тепла име-
ется независимый контур циркуляции
воды соответственно с насосами Н1,
Н2 и ИЗ и частями водо воздушно го
радиатора ВВР (рис. 6.14, а). Такая
система удобна для раздельного ре-
гулирования температур охлаждаю-
щих жидкостей и, в особенности,
наддувочного воздуха, однако нали-
чие трех насосов и необходимость
их привода делают ее слишком слож-
ной. Кроме того, так как все на-
сосы обычно размещают на дизеле,
в этой системе будут наибольшими
общие длина и вес трубопроводов.
В двухконтурной схеме (рис. 6.14, б)
разделены контур охлаждения ди-
зеля Д с насосом Н1 и контур ох-
лаждения масла в ВМТ и воздуха
в ВО с иасосом Н2. Такая схема при-
менена на многих магистральных
тепловозах. Она дает возможность
раздельного регулирования темпера-
тур воды и масла.
Возможна и одноконтурная систе-
ма, в которой все источники тепла
включены в общий контур цирку-
ляции с одним насосом. Эта схема
(рис. 6.14, в) наиболее проста по
устройству, однако в ней трудно
обеспечить оптимальные условия ох-
лаждения. Такая схема применена
на некоторых опытных тепловозах.
На тепловозах с масловоздуш-
иыми радиаторами (ТЭЗ, ТЭМ1), ди-
зели которых не имеют охлаждения
наддувочного воздуха, водяная си-
стема состоит из одного контура
охлаждения дизеля.
Водяные системы тепловозов раз-
личаются также на открытые и за-
крытые. В открытых системах сво-
бодная поверхность воды в одной из
точек системы (расширительном ба-
ке) соприкасается с атмосферным
воздухом. Максимальная темпера-
тура воды в таких системах не мо-
жет быть выше 95—96 °C, так как
при 100 °C в нормальных атмосфер-
ных условиях вода кипит. Открытые
системы применяются на большин-
стве отечественных тепловозов.
Закрытые системы герметичны,
они могут работать при темпера-
туре воды выше 100 °C, если в них
поддерживается давление выше ат-
мосферного. Избыточное давление
порядка 0,03 МПа может создавать-
ся за счет испарения воды в замкну-
том объеме. Большее давление долж-
но обеспечиваться искусственно.
Высокотемпературное охлаждение
(при температурах воды выше
100 °C) имеет некоторые преиму-
щества: уменьшаются потери тепла
в воду, требуется меньшая поверх-
ность охлаждения радиаторов. Вы-
сокотемпературное охлаждение до-
пускают водяные системы теплово-
зов 2ТЭ116 и ТЭП70.
Схемы водяной системы теплово-
зов 2ТЭ10В(Л). Двухконтурные си-
стемы различаются способами ох-
лаждения масла. На тепловозах
2ТЭ10Л первых выпусков в водяной
системе применялись масловоздуш-
ные радиаторы (рис. 6.15, а), на теп-
ловозах 2ТЭ10В(М) — водомасля-
ный теплообменник (рис. 6.15, б).
151
В контуре охлаждения дизеля вода
насосом 21 нагнетается в водяные
коллекторы дизеля 18. Проходя по
внутренней системе охлаждения ди-
зеля, вода нагревается, отбирая теп-
ло от его горячих деталей, и по-
ступает в сборный коллектор, откуда
по трубе 5 отводится в воздушные
радиаторы: 36 и 33 (по трубе 35}—
по схеме рис. 6.15, а, 38 и 39 — по
схеме рис. 6.15, б. Охлажденная вода
по трубе 23 (а также 32) возвраща-
ется на всасывание насоса 21. [Не-
обходимо помнить, что «охлажден-
ная» в данном случае понятие отно-
сительное: температуры «нагретой»
(или «горячей») и «охлажденной»
(или «холодной») воды различаются
всего на 5—10 °C при полной мощ-
ности дизеля.]
Одновременно горячая вода через
вентиль 7 поступает в топливоподо-
греватель 24, а также через вентили
13 и 11 — в калориферы, обогреваю-
щие в холодное время кабину маши-
ниста (на схеме рис. 6.15 не пока-
заны).
Водяная система всегда заполнена
водой благодаря наличию в ней рас-
ширительного бака 3, соединенного
с всасывающей трубой насоса и рас-
положенного выше всех трубопрово-
дов системы. Расширительный бак
создает необходимый напор на вса-
сывающей линии, гарантирующий от
подсасывания воздуха, дает возмож-
ность расширения воды при нагреве
и пополняет все утечки воды. Во
избежание возможности образова-
ния воздушных (или паровых) «про-
бок» в трубопроводах системы наибо-
лее высокие точки ее соединены тру-
бами 2, 6 и 8 с верхней частью ба-
ка 3, которая сообщается с атмос-
ферой.
Расширительный бак оборудован
водомерным стеклом и сигнальной
(«вестовой») трубой, предохраняю-
щей систему от переполнения. На-
полняется система водой под дав-
Рис. 6.15. Схемы водяной системы дизеля:
а — тепловоза 2ТЭ10Л с раздельным охлаждением воды и масла; б — тепловозов 2ТЭ10М(В) с водомас-
ляным теплообменником
152
Таблица 6.3
Показатели
Значение показателей для тепловозов
2ТЭ10В(Л) ТЭЗ ТЭП60 ТЭМ2 ТГМЗА 2ТЭ116 ТЭП70
Масса воды в системе, кг 1450 800 1540 1000 530 1200 1200
Подача водяного насо- са основного контура, м3/ч 150 102 100 90 45 80 80
Подача водяного насо- са контура охлаждения масла и (или) воздуха, м3/ч 100 100 20 80 80
лением через заправочные головки
27, расположенные с обеих сторон
тепловоза или через заливочную
горловину 4 расширительного ба-
ка 3. Головки 27 служат также и
для слива воды из системы.
Температура воды в системе конт-
ролируется при помощи установлен-
ных на пульте управления электро-
термометров 17 (температура воды
на выходе из дизеля ведущей сек-
ции) и 16 (1) (то же для ведомой
секции). Для защиты дизеля от пе-
регрева в системе на выходе из ди-
зеля установлено термореле 10,
снимающее нагрузку с дизеля, если
температура воды превысит 95 °C.
Терморегулятор 29, автоматически
управляющий приводом вентилятора
охлаждающего устройства, присое-
динен через вентили 30 и 28 к трубам
35 и 32.
Вентиль 34 служит для возмож-
ности перепуска воды.
Контур охлаждения наддувочного
воздуха (и масла) включает в себя
насос 22, воздухоохладители 19, ра-
диатор 31 и соединительные трубо-
проводы 20, 14, 15, 12, 26 и 25. На
современных тепловозах (см. рис.
6.15, б) в этот контур включен и
водомасляный теплообменник 37.
Контур также имеет расширитель-
ный бак (являющийся частью ба-
ка 3). Для отвода воздуха и пара
в воздушное пространство бака 3 и
далее в атмосферу служит труба 9.
Температура воды в контуре контро-
лируется при помощи аэротермо-
метра. Водяная система тепловоза
2ТЭ10В (Л), как и других отечествен-
ных тепловозов, является открытой
(вода в расширительном баке сооб-
щается с атмосферой), именно по-
этому максимальный допустимый
уровень ее температуры не может
быть выше 95—96 °C.
Трубопроводы водяных систем на
тепловозах окрашиваются в светло-
зеленый цвет. Основные технические
данные водяных систем тепловозов
приведены в табл. 6.3.
Водяные насосы обеспечивают не-
обходимую интенсивность циркуля-
ции воды в системах. На теплово-
зах применяются центробежные во-
дяные насосы (см. гл. 2). Устройство
водяных насосов тепловозных дизе-
лей одинаково. Они отличаются раз-
мерами рабочего колеса и, следова-
тельно, производительностью, а так-
же устройствами уплотнения со сто-
роны привода. Водяной насос дизе-
ля 10Д100 (рис. 6.16) состоит из
чугунного корпуса 10, в котором рас-
положено бронзовое центробежное
рабочее колесо 11, укрепленное кон-
сольно на длинном валу 5 гайкой 14
со стопорной шайбой 13. Вал уста-
новлен на подшипниках качения 2
и 4 в станине 9, привернутой к кор-
пусу болтами, и приводится во вра-
щение шестерней 1 от нижиего ко-
ленчатого вала. Подшипники фик-
сируются распорной втулкой 3.
Вода засасывается насосом через
чугунную головку 12, попадает на
лопатки колеса 11, которые подают
его по улитке корпуса к нагнета-
тельному патрубку. Для предотвра-
щения просачивания масла в водя-
ную полость насоса служит уплот-
153
п 77
12
нение у подшипника 4, состоящее
из уплотнительного кольца на отра-
жательной втулке.
Утечка воды из рабочей поло-
сти вдоль вала насоса предотвраща-
ется уплотнением, состоящим из
сальниковых колец 8 и нажимной
втулки 6. Вал насоса предохраня-
ется от износа в уплотнении хроми-
рованной втулкой 7.
6.4. СИСТЕМЫ
ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ ДИЗЕЛЯ
И ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
Назначение и условия работы си-
стемы подачи воздуха. Воздушная
система дизеля предназначена для
снабжения дизеля необходимым ко-
личеством чистого воздуха под из-
быточным давлением для наполне-
ния цилиндров, а также для их про-
дувки. Современные тепловозные ди-
зели требуют для своей работы боль-
шие расходы воздуха (15—17 тыс.
м3/ч — дизели 10Д100 и 11Д45). Для
подачи воздуха в системах различ-
ных тепловозов используются на-
гнетатели (компрессоры) различных
типов. Воздух забирается извне теп-
ловоза через воздухоприемные уст-
ройства.
Воздух, окружающий тепловоз
во время движения, содержит во
взвешенном состоянии большое ко-
154
личество разнообразных по природе
и различных по размерам твердых
частиц — пылинок. Движение ло-
комотива с поездом, особенно с
большой скоростью, вызывает за-
вихрение окружающего железнодо-
рожный путь воздуха и способствует
отрыву от земли и подъему более
крупных и тяжелых частиц, а также
металлической пыли, являющейся
результатом истирания тормозных
колодок.
Запыленность воздуха вокруг теп-
ловоза во время движения зависит от
многих условий и составляет в сред-
нем 2—4 мг пыли на 1 м3 воздуха.
В особо неблагоприятных усло-
виях она значительно превышает
средние значения и может дости-
гать 50 и даже 100 мг/м3.
Железнодорожная пыль харак-
терна своей высокой раздроблен-
ностью или, как говорят, дисперс-
ностью. В ней преобладают очень
мелкие частицы, которые трудно
задержать в каких-либо фильтрах.
В средних условиях 65—70 % час-
тиц пыли имеют размеры менее 5 мкм
(0,005 мм).
Наличие пыли в воздухе ускоряет
износ деталей двигателей. Поэтому
все тепловозные дизели обяза-
тельно снабжаются воздухоочистите-
лями.
Таким образом, система подачи
рабочего воздуха на дизелях состо-
ит из воздухоприемных устройств /,
воздухоочистителей 2, нагнетателей
(приводных 3 или газотурбинных,
состоящих из центробежного комп-
рессора 4а и газовой турбины 46),
впускных коллекторов 6 и промежу-
точных воздуховодов (рис. 6.17, а).
Для увеличения массы заряда воз-
духа в рабочих цилиндрах приме-
няют охлаждение наддувочного воз-
духа при помощи специальных возду-
хоохладителей 5 (рис. 6.17, б). Ох-
лаждение наддувочного воздуха осо-
бенно необходимо при наличии так
называемого высокого наддува. При
двухступенчатом сжатии охладитель
наддувочного воздуха 5 размещает-
ся или после нагнетателей — дизель
10Д100 (рис. 6.17, в), или между наг-
нетателями первой и второй ступеней
(промежуточное охлаждение) — ди-
зель 11Д45. Характеристики систем
воздухоснабжения дизелей отече-
ственных тепловозов приведены в
табл. 6.4.
Нагнетатели рабочего воздуха. На
тепловозных дизелях получили рас-
пространение нагнетатели двух ос-
новных типов: объемные (роторные)
нагнетатели н центробежные комп-
рессоры. И те, и другие могут ис-
пользоваться с приводом от коленча-
того вала дизеля. Однако центробеж-
ные компрессоры эффективнее ис-
пользуются при индивидуальном при-
воде от самостоятельной газовой
турбины, работающей на выхлопных
газах дизеля. В этом случае комп-
рессор и турбина конструктивно
объединяются в единый агрегат—
турбокомпрессор.
Объемные нагнетатели роторного
типа применяются на двухтактных
дизелях 2Д100 (тепловозы ТЭЗ) и
14Д40 (тепловозы М62). Нагнета-
тель представляет собой корпус, в ко-
тором относительно параллельных
осей синхронно вращаются два
трехлопастных ротора. Лопасти ро-
торов захватывают воздух, засасы-
ваемый в корпус сверху, и, прогоняя
его отдельными объемами (между
парами лопастей каждого ротора и
цилиндрическими перегородками
корпуса), нагнетают его во впускные
коллекторы дизеля. Для непрерывной
подачи воздуха лопастям роторов
придана спиралеобразная форма.
Нагнетатели роторного типа при-
водятся во вращение от коленчатых
валов дизелей. Их производитель-
ность и давление нагнетаемого воз-
Рис. 6.17. Схемы систем воздухоснабжения и выпуска газов тепловозных дизелей:
а - 2Д100; б — ПД1М; в — 10Д100
Уславные обозначения
^атмосферный воздух ^выпускные вазы
Д рабочий воздух охлаждающая
ь/ для дизеля 1? вода
155
духа прямо пропорциональны ско-
рости вращения роторов, а следова-
тельно, и коленчатого вала.
Роторы пустотелые и отлиты из
алюминиевого сплава. Лопасти ро-
торов не соприкасаются между со-
бой. Чтобы это обеспечить, на валах
роторов, установлены координацион-
ные шестерни, согласующие их вра-
щение.
Центробежные нагнетатели с меха-
ническим приводом от коленчатого
вала дизеля применяются для над-
дува на дизелях типа М753, а также
в качестве нагнетателя второй сту-
пени в двухступенчатых системах
наддува дизелей 10Д100 и 11Д45.
Нагнетатель такого типа, схема
которого приведена на рис. 6.18,
состоит из центробежного рабочего
колеса 8, вращающегося в корпусе 7,
отлитом из алюминиевого сплава и
соединенном с впускным патруб-
ком 9. Колесо 8 также алюминие-
вое, оно напрессовано на стальную
шлицевую втулку, которая насажи-
вается на хвостовик ведомого вала
шестерни 12. На этом же валу гай-
кой закреплено вращающееся с ва-
лом колесо направляющего аппа-
рата 10. Корпус 7 нагнетателя
шпильками соединен с корпусом 13
приводного редуктора. Редуктор —
повышающий, он состоит из двух
пар цилиндрических шестерен 4—2
и 6—12. Ведомый вал-шестерня 12
опирается на два подшипника сколь-
жения: опорный 11 и упорно-опор-
ный 1.
Привод компрессора содержит три
упругих звена: 1) торсионный вал 3,
соединенный одним шлицевым хвос-
товиком с верхним коленчатым ва-
лом дизеля, а вторым хвостовиком
со шлицевой втулкой 5; 2) шестер-
ню 4, выполненную составной и
Таблица 6.4
Показатели
Значение показателей для тепловозов
2ТЭ10В ТЭЗ ТЭП60 ТЭМ2
Давление наддува, МПа 0,11—0,12 0,03 0,10—0,12 0,04—0,09
Типы воздухоочистителя сн+с сн+с МП сн+с
Число ступеней иаддува 2 1 2 1
Агрегаты иаддува: турбокомпрессоры 2 — 2 1
приводные нагнетатели: объемные — 1 —
центробежные 1 — 1 —
Охлаждение воздуха Есть Нет Есть Есть
Тип турбокомпрессора ТК-34С — 4ТК тк-зос
Продолжение табл. 6.4
Показатели Значение показателей для тепловозов
ТГМЗА ТЭ116 ТЭП70
Давление наддува, МПа 0,02 0,13—0,15 0,18—0,20
Типы воздухоочистителя С сн+с сн+с
Число ступеней наддува Агрегаты наддува: 1 1 1
турбокомпрессоры 1 1 1
приводные нагнетатели: объемные __
центробежные — — —
Охлаждение воздуха Нет Есть Есть
Тип турбокомпрессора ТКР-23-1 ТК-38В —
Примечание. С — сетчатый; МП — маслопленочный; СН — сетчатый, непрерывного действия.
156
имеющую упругую пружинную муф-
ту, и 3) фрикционную муфту на
промежуточном валу, вмонтирован-
ную в шестерню 6. Последняя муфта,
проскальзывая, защищает компрес-
сор от перегрузки при резких изме-
нениях скорости вращения вала ди-
зеля (например, при пуске). Торси-
онный вал обеспечивает упругость
привода, а пружинная муфта предох-
раняет редуктор от передачи кру-
тильных колебаний.
Турбокомпрессоры. Непосред-
ственный привод нагнетателей от
коленчатого вала дизеля обладает
серьезным недостатком — произво-
дительность нагнетателей в этом
случае связана со скоростью враще-
ния коленчатого вала. В то же время
система регулирования тепловозных
дизелей в зависимости от нагрузки
изменяет мощность дизеля (через
подачу топлива) при неизменной
скорости вращения вала. Таким об-
разом, при постоянной скорости
вращения вала дизеля независимо
от его мощности приводной наг-
нетатель подает в цилиндры одно
и то же количество воздуха. В ре-
зультате при работе без нагрузки
(на холостом ходу), когда в цилинд-
рах за цикл сгорают значительно
меньшие количества топлива, горе-
ние проходит с чрезмерным избыт-
ком воздуха. На подачу этого воз-
духа напрасно затрачивается опре-
деленная мощность.
Система газотурбинного наддува
не имеет этого недостатка. Нагне-
тателем такой системы служит авто-
номный турбокомпрессор (рис. 6.19,
а), механически не связанный с ва-
лом дизеля. Он состоит из двух аг-
регатов: осевой газовой турбины и
центробежного компрессора, объе-
диненных в одну машину. Ротор га-
зовой турбины 1 и центробежное ко-
лесо компрессора 2 находятся на
общем валу. К турбине через вы-
пускной коллектор подводятся вы-
хлопные газы, энергия которых при-
водит во вращение ротор. Расширив-
шиеся продукты сгорания выпуска-
ются в атмосферу.
Рис. 6.18. Схема центробежного нагнетателя
дизеля 1 ОД 100 и его привода
При вращении ротора объем воз-
духа, заключенный между лопат-
ками воздушного компрессора, пе-
ремещается от центра колеса к его
периферии. Сжатый воздух нагнета-
ется во впускной коллектор дизеля.
Производительность компрессора
прямо пропорциональна скорости
вращения колеса. Роторы турбо-
компрессоров вращаются с перемен-
ной скоростью, зависящей от мощ-
ности дизеля, точнее, от количества
выпускных газов, т. е. от количества
сжигаемого топлива. Максимальная
скорость вращения роторов нагнета-
телей тепловозных дизелей состав-
ляет от 10—12 до 20—25 тыс.
об/мин.
Таким образом, дизель с газотур-
бинным наддувом обладает свой-
ством саморегулируемости: по мере
возрастания мощности увеличива-
ются масса и энергия продуктов
сгорания, следовательно, увеличи-
вается скорость вращения ротора
турбокомпрессора и возрастает пода-
ча воздуха компрессором, и наоборот.
Важное достоинство газотурбинно-
го наддува заключается в исполь-
зовании энергии выхлопных газов,
которая у дизелей довольно велика:
157
газы имеют температуру 450—
540 °C и давление до 0,2 МПа.
Газотурбинный наддув успешно
применяется в четырехтактных ди-
зелях. Применение такого наддува
в двухтактных дизелях сложнее, так
как на единицу мощности требуются
большие количества воздуха (с уче-
том продувки).
Обычно это затруднение преодо-
левается применением комбиниро-
ванных систем наддува (см. рис.
6.17, в) со сжатием воздуха в двух
ступенях: первая — в турбокомпрес-
158
соре, а вторая — в приводном наг-
нетателе (объемном — дизель 14Д40
или центробежном — дизели 10Д100
и 11Д45). Приводной нагнетатель об-
легчает пуск дизеля и обеспечивает
подачу необходимого количества воз-
духа при малых нагрузках дизеля,
когда энергия выхлопных газов не-
достаточна для привода турбокомп-
рессора.
На многих советских тепловозных
дизелях применяются унифицирован-
ные турбокомпрессоры. Турбокомп-
рессор (рис. 6.19, б) состоит из двух
основных частей: корпуса и вращаю-
щегося в нем ротора. Корпус турбо-
компрессора разъемный. Вертикаль-
ными плоскостями разъема он де-
лится на три основные части: воз-
душную — корпус компрессора 1,
выпускную 10 и газовую 13, соеди-
ненные между собой шпильками и
болтами. К газовой части прикреп-
лен направляющий аппарат И со
своим корпусом 8. Направляющий
аппарат состоит из двух колец со
вставленными в них неподвижными
стальными лопастями, направляю-
щими поток газа на лопатки тур-
бины. Рабочая полость компрессора
ограничена вставкой 2. Лопаточный
диффузор 5 выполнен в виде диска
с лопатками и закрыт вставкой 3.
В газовом корпусе 13 установлен
дроссель 12.
Выпускная и газовая части кор-
пуса имеют водяные рубашки, в
которых циркулирует вода из систе-
мы охлаждения дизеля. Кожух 6 и
экран 7, пространство между кото-
рыми заполнено теплоизоляционной
массой, защищают среднюю часть
вала ротора и воздушную часть кор-
пуса от тепла выпускных газов. Од-
новременно экран 7 служит для на-
правления потока газов. Все части
корпуса у турбокомпрессоров отли-
ваются из алюминиевого сплава.
Вал турбокомпрессора состоит из
двух частей, приваренных к диску
турбинного колеса 9 с обеих сторон.
В диске турбинного колеса своими
хвостовиками укреплены лопатки, из-
готовленные из жаропрочной стали.
Крепление носит название «елоч-
ного замка». Фигурный хвостовик
лопатки, по форме сбоку напоми-
нающий опрокинутую елочку (из-
за наличия наклонных зубцов на бо-
ковых поверхностях), вставляется в
поперечный паз в диске, имеющий
такое же «елочное» сечеиие. Центро-
бежная сила, отрывающая лопатку,
распределяется на ряд поверхностей
зубьев и впадин, что делает елочное
крепление прочным и надежным и,
к тому же допускающим замену
отдельных лопаток при ремонте.
Колесо компрессора 4, отлитое из
алюминиевого сплава, напрессовано
на вал ротора. Вал ротора вращается
в двух подшипниках скольжения.
Один из них (со стороны компрессо-
ра) — опорно-упорный. Подшипники
ротора смазываются от общей систе-
мы смазки дизеля, однако турбо-
компрессор имеет свой масляный
фильтр.
В корпусе турбокомпрессора име-
ются несколько лабиринтных уплот-
нений и система дренажа, исключаю-
щая прорыв газов через уплотнения.
Конструкция корпуса газовой тур-
бины зависит от способа осуществле-
ния наддува. Если наддув осущест-
вляется при постоянном давлении в
выпускном коллекторе (выхлопные
газы из всех цилиндров поступают
в один коллектор), корпус турбины
имеет один фланец для впуска газов.
При так называемом импульсном
наддуве с более полным расшире-
нием продуктов сгорания газы под-
водятся к турбине раздельно от
двух групп цилиндров, и ее корпус
в этом случае имеет два присоедини-
тельных фланца.
Наддув при постоянном давлении
характерен неполным использова-
нием энергии газов, применяется в
форсированных двигателях при вы-
соких давлениях наддува (10Д100,
11Д45). Импульсный наддув, при
котором энергия выпускных газов
используется более полно, приме-
няется на четырехтактных двигате-
лях; он особенно эффективен для ди-
зелей маневровых тепловозов, много
159
работающих при частичных нагруз-
ках (ПД1М, 6Д70).
Воздухоочистители. Принцип дей-
ствия воздухоочистителей: улавлива-
ние пыли происходит за счет ис-
пользования инерции частиц пыли
при изменении направления потока
воздуха, а удержание уловленных
частиц пыли осуществляется благо-
даря смачиванию поверхностей воз-
духоочистителя вязкой жидкостью
(маслом).
Качество работы воздухоочистите-
лей оценивается коэффициентом про-
пуска е, который представляет со-
бой отношение массы пропущенной
пыли к общей массе пыли, посту-
пившей в очиститель с воздухом.
Для воздухоочистителей тепловоз-
ных дизелей е1,5—2 %.
Простейшим по конструкции воз-
духоочистителем тепловозных дизе-
лей является так называемый сет-
чатый фильтр. Сетчатый фильтр
(рис. 6.20, а) представляет собой
кассету, состоящую из коробки, за-
полненную несколькими слоями про-
волочной сетки, смоченной маслом.
Такие воздухоочистители применя-
лись на тепловозах ТЭ1 и ТЭ2. В их
кассетах уложено 14 слоев различ-
ных сеток: с лицевой стороны с бо-
лее крупными ячейками, далее более
мелкие. Первые несколько слоев
для повышения пылеемкости имеют
гофрировку.
Воздух, проходя по извилистым
каналам, образованным ячейками
последовательно расположенных се-
ток, оставляет на их поверхностях
большую часть содержащихся в нем
пылевых частиц. Название «фильтр»
для данного устройства носит ус-
ловный характер. Сетчатый очисти-
тель по существу не фильтрует воз-
дух, так как размеры отверстий для
прохода воздух(ячейки сеток) в
нем значительно превышают разме-
ры удерживаемых частиц пыли. Пыль
выделяется из потока именно за счет
многочисленных поворотов струек
потока при прохождении через сетки.
Сетчатые фильтры в процессе ра-
боты забиваются пылью и требуют
частой промывки, которая может
быть выполнена только в условиях
депо. Иными словами, их пылеем-
кость оказывается недостаточной, и
поэтому на современных тепловозах
воздухоочистители имеют более
сложное устройство.
Наиболее простым способом неко-
торого повышения пылеемкости яв-
ляется применение двух последова-
тельно расположенных сетчатых
фильтров (первая кассета устанав-
ливается в стенке кузова или капота
тепловоза, вторая кассета — непо-
Рис. 6.20. Схемы воздухоочистителей:
а — сетчатый фильтр; б - циклоиио-сетчатый очиститель; в - очиститель с масляной ваниой (маслопле-
ночный); г — очиститель (фильтр) непрерывного действия
160
средственно перед всасывающим пат-
рубком дизеля — тепловоз ЧМЭ2).
Такие очистители называют двухсту-
пенчатыми. Иногда в качестве пер-
вой ступени перед сетчатыми филь-
трами применяют циклонные очис-
тители. Такой циклонно-сетчатый
очиститель (рис. 6.20, б) приме-
нялся на тепловозах ТЭЗ первых
выпусков.
Воздух через жалюзи 1 попадает
сначала в циклонный очиститель.
Каждый циклон <3 состоит из двух
труб: наружной — с конусообразным
концом и внутренней — цилиндриче-
ской, вставленной концентрически в
первую. Между трубами установле-
на спиралевидная направляющая
(наподобие шнекового винта), за-
кручивающая поток. При вращении
потока частицы пыли под действием
центробежных сил оттесняются к
внутренней поверхности наружной
трубы, а поток воздуха отсасыва-
ется во внутреннюю трубу. Возду-
хоочиститель дизеля 2Д100 с каждой
стороны имел батарею из 56 цик-
лонов, работающих параллельно.
Циклонный очиститель является сту-
пенью грубой очистки, его коэффи-
циент пропуска е = 30—35 %, причем
проходят, главным образом, более
мелкие частицы. После циклонов
воздух поступает на сетчатые фильт-
ры 2, играющие роль второй ступени
очистки. Наличие первой ступени
позволяет несколько увеличить сроки
смены фильтров по сравнению с од-
ноступенчатым очистителем.
Недостатками этой конструкции
являются большая потеря мощно-
сти на всасывание (высокое гидрав-
лическое сопротивление) и в то же
время недостаточно высокие эффек-
тивность и пылеемкость.
Работу сетчатых фильтров можно
улучшить непрерывной подачей мас-
ла на кассеты в процессе работы.
Осуществить это можно двумя спо-
собами: разбрызгивая масло энер-
гией всасываемого воздушного по-
тока или периодическим окунанием
самого фильтра в масло. Первый
принцип реализован в конструкции
6 Зак. 443
воздухоочистителя с масляной ван-
ной (рис. 6.20, в), разработанного
во Всесоюзном научно-исследова-
тельском тепловозном институте
(ВНИТИ) и применяемого на теп-
ловозах ТЭП60; второй — в кон-
струкции воздухоочистителя не-
прерывного действия (рис. 6.20, г),
разработанного во ВНИИЖТе и при-
меняемого на большинстве серий-
ных грузовых тепловозов.
Воздухоочиститель с масляной
ванной (см. рис. 6.20, в) работает
следующим образом. Воздушный по-
ток, пройдя через воздухоприемные
жалюзи /, направляется по узкому
наклонному каналу разбрызгивателя
5 масляной ванны 7 и на своем пути
захватывает масло, заполняющее
масляную ванну в нижней части
корпуса. При неработающем дизеле
масло заполняет нижнюю часть кор-
пуса, включая канал разбрызгива-
теля (его уровень показан на
рис. 6.20, в штриховой линией).
Таким образом, воздух как бы
прорывается через слой масла, оттес-
няя его со своего пути. Мельчай-
шие капельки масла уносятся с воз-
духом и равномерно оседают на всей
площади пластинчатых фильтрую-
щих элементов 4, за которыми уста-
новлены сетчатые кассеты 2 для
предотвращения уноса капелек мас-
ла с воздухом в дизель. Масло
непрерывно стекает с фильтрующих
элементов, смывая осевшую пыль.
Сетчатый воздухоочиститель не-
прерывного действия (см. рис. 6.20,г)
работает как обычный сетчатый, но
двухступенчатый фильтр. Принципи-
альное отличие состоит в том, что
фильтр первой ступени 6 выполнен
в виде вращающегося на оси диска,
нижняя часть которого погружена
в масляную ванну 7. Таким образом,
воздух, проходящий через верхнюю
половину кассеты, всегда соприка-
сается со свежесмоченными маслом
сетками.
Вращение кассеты приводит к смы-
ванию задержанной пыли (она
оседает на дно масляной ванны) и
значительно повышает пылеемкость
161
очистителя, практически не влияя
на его гидравлическое сопротивле-
ние. Подвижная (вращающаяся)
ступень представляет собой колесо,
внутрь которого вставлены четыре
секторообразные кассеты с прово-
лочной сеткой. По ободу колеса при-
варена зубчатая лента, посредством
которой подвижной кассете сооб-
щается вращение (со скоростью
1 —1,5 об/ч) от пневматического
сервомотора, установленного в кор-
пусе воздухоочистителя. В каче-
стве второй ступени на ряде теплово-
зов применяют кассеты 2, в которых
вместо сетки установлен слой порис-
того пластика — пенополиуретана,
прошедшего специальную обработку.
Воздухоприемные устройства сис-
тем воздухоснабжения тепловозных
дизелей представляют обычные жа-
люзи с горизонтальными наклонны-
ми пластинами, размещенные в бо-
ковых стенах кузова тепловоза. Жа-
люзи служат для предотвращения
забивания воздухоочистителей слу-
чайными предметами (листья, бу-
мага и т. д,), а также для защиты
их от прямого попадания дождя
и снега.
Устройства для отвода отработав-
ших газов от дизеля включают в себя
выпускные коллекторы 8 (см. рис.
6.18) и глушители шума 9. Отрабо-
тавшие газы от цилиндров дизеля
отводят по выпускной системе в ат-
мосферу, а при газотурбинном надду-
ве— в турбокомпрессоры. Так как
температура отработавших газов ди-
зеля высока (500—550 °C), выпуск-
ные коллекторы выполняют состав-
ными. Для обеспечения линейного
расширения при нагреве звенья кол-
лекторов соединяют поршневыми
компенсаторами. Снаружи коллекто-
ры покрывают термоизоляционным
материалом, заключенным в защит-
ные стальные кожуха. Это имеет
двойную цель: сохранение теплоты
газа для использования его энергии
в турбине и предохранение от чрез-
мерного нагрева поверхности и от-
дачи тепла в машинное отделение.
В четырехтактных дизелях типа
162
Д49 (тепловозы 2ТЭ116, ТЭП70), а
также в двухтактных дизелях типа
Д100 выпускные коллекторы имеют
двойные стенки, в полостях между
которыми циркулирует вода из си-
стемы охлаждения.
На маневровых тепловозах (ТЭМ2)
применяются искрогасители, уста-
навливаемые на выхлопном патрубке
и повышающие пожарную безопас-
ность тепловоза.
6.5. ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ВОДЫ, МАСЛА
И НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА
Назначение и типы охлаждающих
устройств. Охлаждающие устрой-
ства тепловозных дизелей пред-
ставляют собой совокупность узлов
и агрегатов тепловоза, предназна-
ченных для отвода и рассеивания в
окружающую среду тепла от ох-
лаждающих жидкостей (воды и
масла), а также для охлаждения
рабочего воздуха. К охлаждающим
устройствам тепловозных дизелей
относятся: теплообменники (водо-
воздушные, масловоздушные, водо-
масляные и воздуховодяные), венти-
ляторы охлаждения и их привод.
Теплообменники служат для отвода
тепла от жидкостей или от воздуха.
Теплообменники, отводящие тепло
от жидкостей к атмосферному воз-
духу, называют радиаторами.
Согласно основному уравнению
теплопередачи (см. гл. 3) количество
отдаваемой теплоты Р пропорцио-
нально площади теплопередающей
поверхности F и разности А/ тем-
ператур охлаждающей жидкости и
воздуха: P = kF\t, где k — коэффи-
циент теплопередачи.
Так как значение температурного
напора \t ограничено (температура
воды в системах охлаждения, как
правило, не превышает 90—95 °C,
а масла — 80—85 °C), охлаждаю-
щие устройства тепловозных дизелей
должны обладать значительными
поверхностями охлаждения. Разви-
тие площади теплоотдающих по-
верхностей достигается за счет их
оребрения и дробления потока на
большое число отдельных струй,
протекающих в трубках малого сече-
ния. Коэффициент теплопередачи
воздушных радиаторов возрастает
при увеличении скорости воздуха,
которое достигается его просасыва-
нием через радиаторы под дейст-
вием специального вентилятора.
На тепловозах применяются сле-
дующие основные схемы охлаждаю-
щих устройств:
1) охлаждение воды в водовоздуш-
ных радиаторах /, масла в масло-
воздушных радиаторах 2 (рис.
6.21, а). По такой схеме выполнены
охлаждающие устройства многих
тепловозов, в том числе ТЭМ2 и
ТЭЗ. Данная схема оказывается ма-
лоэффективной при охлаждении
форсированных дизелей с большой
долей тепла, отводимого в смазочное
масло, так как коэффициент тепло-
передачи у масловоздушных радиа-
торов значительно ниже, чем у во-
довоздушных;
2) охлаждение воды в водовоз-
душных радиаторах 1, масла в водо-
масляном теплообменнике 5 (рис.
6.21, б). Вода, охлаждающая масло,
затем охлаждается воздухом так же,
как и вода охлаждения двигателя.
Такая схема применена на теплово-
зах 2ТЭ10В(Л), 2ТЭ116, ТЭП60,
ТЭП70.
Охлаждение масла промежуточ-
ным теплоносителем (водой) позво-
ляет уменьшить общие размеры ра-
диатора на тепловозе и сделать более
устойчивой температуру масла, что
очень важно при переменных режи-
мах работы дизеля. Обе схемы вклю-
чают также масляный 3 и водяные
насосы: 4 в первой схеме и 4 и 6 во
второй. Наддувочный воздух обычно
охлаждается в воздухоохладителе 7
(рис. 6.21, б) водой в качестве
промежуточного теплоносителя. На
опытных тепловозах ТЭП75 и ТЭ136
применено охлаждение воздуха в
воздухе-воздушном теплообменнике.
На тепловозах с гидропередачей
охлаждающие устройства предна-
значаются и для охлаждения рабо-
чей жидкости (масла) гидропере-
дачи.
Размещение основных частей ох-
лаждающих устройств. Охлаждаю-
щие устройства тепловозных дизелей
(радиаторы, вентилятор и его при-
вод) занимают обычно часть кузова
тепловоза, называемую шахтой хо-
лодильника (рис. 6.22, а), в боковых
стенках которой размещаются воз-
духоприемники — поворотные жалю-
зи 1 и секции радиаторов — водя-
ные 2 и масляные 3 (на тепловозах
2ТЭ10Л первых выпусков. На тепло-
возах 2ТЭ10В и 2ТЭ10Л с водомас-
ляным охлаждением секции 3 также
водяные). Охлаждающие жидкости
собираются в коллекторах 9. В
центре камеры размещается осевой
вентилятор 4. Внутренняя часть ка-
меры ограничена наклонными стен-
ками 8, которые, смыкаясь с гори-
зонтальным листом 7, образуют арку
(«шахту»), которая служит для про-
хода к торцовым дверям секции.
Воздух засасывается вентилято-
ром через боковые жалюзи 1 и секции
радиаторов 2 и 3 и, охлаждая их,
проходит через диффузор 5 вентиля-
тора и выбрасывается наружу. От-
крытием боковых жалюзи 1, а также
верхних 6 регулируется подача воз-
духа, а следовательно, температура
воды и масла.
Рис. 6.21. Схемы охлаждающих устройств:
а — с раздельным воздушным охлаждением воды и масла; б — с водяным охлаждением масла
и двух контурной водяной системой
6* 163
Рис. 6.22. Схемы размещения радиаторов на тепловозах:
а — 2ТЭ10В(М); б— ТЭП60; в — 2ТЭ116; г — ТГ16; д — ТЭ109 (стрелками показано течение охлаждаю-
щего воздуха)
Вентилятор 4 имеет либо механи-
ческий привод—через редуктор 11
и карданный вал 10 от вала дизеля
(см. рис. 6.22, а), либо индивиду-
альный гидростатический 12 (рис.
6.22, биг), или электрический 13
привод (см. рис. 6.22, вид). Число
вентиляторов зависит от длины
фронта радиаторов и схемы компо-
новки холодильной камеры. При
центральном размещении вентиля-
торов их может быть один (тепло-
возы ТЭЗ, 2ТЭ10В), два (ТЭП60)
или три (ТЭП70, ТЭ109). При двух-
рядном расположении (см. рис.
6.22, в) на тепловозе 2ТЭ116 уста-
новлены четыре вентилятора.
Водомасляные теплообменники
обычно размещаются непосредствен-
но на дизеле (дизель Д49) либо
вблизи него в машинном помеще-
нии тепловоза (2ТЭ10В, ТЭП60),
Воздухоохладители размещаются не-
посредственно на дизелях.
Основные технические данные ох-
лаждающих устройств тепловозных
дизелей приведены в табл. 6.5.
164
Секции радиатора. Общая вели-
чина необходимой поверхности ох-
лаждения радиатора на тепловозах
довольно велика. При размещении
радиатора, например, по схеме
(см. рис. 6.22, а) на тепловозе
2ТЭ10В длина радиатора по фронту
составляет примерно 3 м, а масса
собственно радиатора (без коллек-
торов) превышает 2600 кг. Такую
конструкцию сложно и нецелесооб-
разно изготавливать целиком, так
как это создаст большие трудности
при эксплуатации. Поэтому радиа-
торы на тепловозах выполняют со-
ставными из отдельных элементов —
секций. Это позволяет применять
на различных тепловозах стандарт-
ные секции.
Водовоздушная секция радиатора
(рис. 6.23, а) представляет собой
многотрубный теплообменник. Она
состоит из двух пакетов тонкостен-
ных плоскоовальных трубок (рис.
6.23, б) из латуни Л96 (томпака);
каждый пакет трубок имеет общие
ребра из пластин медной фольги
толщиной 0,1 мм (коллективное ореб-
рение).
Концы трубок 1 (см. рис. 6.23, а)
вставлены в отверстия верхней и
нижней коробок 2 и приварены к
ним медно-фосфористым припоем.
Трубки в решетке дна коробки раз-
мещены в восемь рядов в шахматном
порядке (по девять и десять трубок
в ряду). Общее число трубок в сек-
ции 76, однако рабочими являются
68. Восемь крайних трубок 7 (на
разрезе А—А они зачернены) глухие,
для них нет отверстий в днищах
коробок 2. Упираясь в медные плас-
тины 6, прикрепленные к днищам
для усиления коробок 2, глухие
трубки служат распорками между
ними и воспринимают нагрузки при
температурных деформациях секции,
снимая их с рабочих трубок и пред-
отвращая нарушение качества их
соединений с коробками. Коробки 2
приварены к стальным коллекто-
рам 3 медно-цинковым припоем. От-
верстия 4 в коллекторах служат для
прохода воды, а отверстия 5 в прили-
вах — для шпилек крепления секций
к коллекторам шахты холодильника.
Для уплотнения между коллектора-
ми секции и коллектором шахты хо-
лодильника ставят паронитовые про-
кладки.
Пластины оребрения («ребра») 8
нанизаны на трубки при сборке сек-
ции со средним расстоянием между
ними (шагом оребрения) 2,3 мм. Ра-
нее выпускались секции с большим
шагом оребрения — 2,83 мм и соот-
ветственно с меньшим числом ребер
и меньшей поверхностью охлаждения
со стороны воздуха.
Ребра припаиваются к трубкам
методом спекания (предварительно
залуженные с наружной поверхно-
сти трубки спекаются с ребрами в
печи при расплавлении слоя полу-
ды). Ранее применялась припайка
методом окунания всего собранного
пакета в расплавленный припой.
Проконтролировать качество при-
пайки ребер ко всем трубкам в лю-
бом случае невозможно. Способ оку-
нания требовал большего расхода
припоя. Кроме того, остатки припоя,
не успевшие стечь до затвердевания,
стесняют живое сечение для прохода
воздуха.
На тепловозах применяются сек-
ции данного типа с различной рабо-
чей длиной трубок /р: нормальные
(1206 мм) и укороченные (535 мм).
Таблица 6.5
Значения параметров для тепловозов
2ТЭ10В ТЭЗ ТЭП60 ТЭМ2 ТГМЗА 2ТЭ116 ТЭП70
Число воздухоохлади- телей на дизель Число секций охлаж- дающего устройства: 2 — 1 1 1 1
для воды дизеля 14+ 14 24 17 16 17 14 29
для воды воздухоох- ладителя и водомас- ляного теплообмен- ника 24 + 24 30 6 24 40
для масла Рабочая длина трубок секции, мм: — 36 — 6 3 — —
для воды 1206 и 535 1206 1206 1206 1206 1206 535
» масла — 1206 — 1206 1206 — —
Число водомасляных теплообменников 1 — 1 — — 1 2
Число вентиляторов охлаждения 1 1 2 1 1 4 3
Диаметр вентиляторно- го колеса, мм 2000 1600 1600 1600 1200 900 1400
165
Соответственно расстояние между
осями крепежных отверстий I для
них составляет 1356 и 686 мм. Из-
менение длины секций обычно свя-
зано с особенностями компоновки
охлаждающего устройства. На теп-
ловозах 2ТЭ116, ТЭП60 (см. рис.
6.22, бив), ТЭЗ, ТЭМ2 и др. при-
менены нормальные секции с длиной
трубок 1206 мм. На тепловозах
ТГ16 (см. рис. 6.22, г) весь радиатор
собран из укороченных секций, раз-
мещенных под потолком кузова над
дизелем. На тепловозах 2ТЭ10В (см.
рис. 6.22, а) применено двухъярус-
ное размещение секций: нормаль-
ных— внизу и укороченных—над
ними.
Как видно из рассмотренных схем,
секции стандартного типа обычно
размещаются в один ряд по обеим
боковым стенкам шахты. Исключе-
ние составляет тепловоз ТЭЗ, где
было применено двухрядное разме-
щение секций. Теплорассеивающая
эффективность секций второго ряда,
конечно, ниже, чем у первого ряда,
так как они охлаждаются уже подо-
гретым воздухом.
На ряде тепловозов применяются
масловоздушные радиаторы для ох-
лаждения масла дизеля (ТЭЗ,
ТЭМ2). Масловоздушные секции
имеют такие же габаритные разме-
ры, как и водовоздушные, но отли-
чаются размерами, числом и рас-
положением трубок. Они имеют по
80 плоскоовальных трубок сечением
17,5X4 мм, размещенных в восемь
рядов по 10 трубок («коридорно»).
Большее сечение трубок необхо-
димо из-за вязкости масла.
Коэффициент теплопередачи стан-
дартных масловоздушных секций—
в среднем 22—24 Вт/(м2-К) —при-
мерно в 3 раза меньше, чем водо-
воздушных секций. Поэтому для ох-
лаждения масла обычно требуется
больше секций, чем для охлаждения
воды. Именно поэтому в охлаж-
дающем устройстве тепловоза ТЭЗ из
60 секций 36 масловоздушные, хотя
в масло от дизеля отводится тепла
почти вдвое меньше, чем в воду.
166
Плохая теплопередача от масла
к трубке объясняется его ламинар-
ным течением. Вязкое масло течет
параллельными слоями, не переме-
шиваясь. Поэтому тепло отдают
только внешние слои потока, непо-
средственно соприкасающиеся со
стенками. Тепло от внутренних слоев
может передаваться лишь тепло-
проводностью, а она у масла неве-
лика.
Недостаточная эффективность мас-
ловоздушных радиаторов, а также
трудности с их эксплуатацией в
холодное время года (частые случаи
течи масла из секций из-за наруше-
ния герметичности соединений тру-
бок с решетками при повышении
давления в системе, связанного с
загустеванием холодного масла)
привели к переходу на тепловозах
средней и большой мощности на ох-
лаждение масла водой в качестве
промежуточного теплоносителя.
Водомасляные теплообменники. На
современных серийных тепловозах
2ТЭ10В, М62, 2ТЭ116, ТЭП60,
ТЭП70 и др. установлены кожухо-
трубные теплообменники, в которых
одна жидкость (вода) протекает по
трубкам, а другая (масло) омывает
их снаружи, заполняя кожух.
Теплообменник тепловоза 2ТЭ10В
(рис. 6.24) представляет собой
разъемный кожух, состоящий из
верхнего 2, среднего 3 и нижнего 4
корпусов, в котором размещен про-
дольный пучок трубок 15, объединен-
ных верхней 18 и нижней 8 трубными
решетками. Нижняя решетка при
температурных удлинениях трубок
может перемещаться в сальниковом
уплотнении 11. Трубный пучок со-
стоит из 955 медных трубок (внут-
ренний диаметр 8 мм, наружный
10 мм, рабочая длина 1997 мм) и
имеет две продольные перегородки,
расположенные между трубными ре-
шетками, и 13 поперечных сегментных
перегородок 5, перекрывающих по-
очередно противоположные части
его поперечного сечения. Трубки ук-
репляются в решетках развальцов-
кой их концов. Перегородки 5 плотно
охватываются рубашкой 6. Между
кожухом в местах его разъема и ру-
башкой поставлены резиновые коль-
ца 14.
С торцов кожух теплообменника
ограничен крышками 10 и 19. Вода
из радиатора охлаждающего устрой-
ства поступает в теплообменник че-
рез патрубок 9 нижней крышки,
проходит через часть трубок пучка,
отделенных продольной перегород-
кой, в полость верхней крышки 19,
затем снова вниз и вверх и выходит
из теплообменника через патрубок
17.
Масло от дизеля поступает в кожух
теплообменника двумя потоками
через патрубки / и 7. Каждый поток
совершает семь поперечных ходов
в кожухе, омывая трубный пучок.
Затем потоки сливаются, и ох-
лажденное масло отводится из пат-
рубка 13.
Рис. 6.24. Водомасляный теплообменник
тепловоза 2ТЭ10В(М)
167
Патрубки 12 и 16 через предох-
ранительные клапаны соединены с
трубопроводом охлажденного масла,
отходящим от патрубка 13. При по-
вышении перепада давления масла
на теплообменнике более 0,15 МПа
клапаны сбрасывают масло в маги-
страль (оба потока проходят тепло-
обменник напрямую: от патрубка 1
к патрубку 16 и от патрубка 7 к
патрубку 12).
Водомасляные теплообменники
других тепловозов в принципе устро-
ены так же.
Они могут отличаться числом
трубок и их длиной, числом ходов
масла и т. п. На дизелях Д49
тепловозов 2ТЭ116 и ТЭП70 примене-
ны теплообменники из трубок, имею-
щих наружное поперечно-винтовое
оребрение, увеличивающее поверх-
ность теплообмена со стороны масла.
Оребрение создается путем накатки
(выдавливания) роликами гладких
толстостенных медных трубок. Недо-
статком такой конструкции является
трудность очистки масляной полости
(внешней поверхности трубок) от за-
грязнений.
Воздухоохладители, используемые
в системах воздухоснабжения дизе-
ля, представляют собой также труб-
чатые водовоздушные теплообменни-
ки, в которых по трубкам протекает
вода из системы охлаждения, а
пространство между ними омыва-
ется воздухом.
Воздухоохладитель дизеля 10Д100
(рис. 6.25) имеет прямоугольный
трубный пучок с шахматным распо-
Рис. 6.25. Воздухоохладитель дизеля 1 ОД 100
168
ложением трубок 8 в трубных ре-
шетках 6 и 11. Вода поступает в
корпус 3 охладителя через патрубок
13 нижней крышки 12, совершает в
трубном пучке три хода и отводится
через патрубок 5 верхней крышки 4.
Воздух проходит через корпус,
омывая трубки, от фланца 10 через
патрубок 9 к фланцу 2, которым воз-
духоохладитель крепится к торцу 1
впускного коллектора дизеля. Труб-
ки 8 для увеличения тепловоспри-
нимающей поверхности имеют на-
ружное оребрение, выполненное из
медной проволочной спирали 7, на-
витой на трубку и припаянной к
ней.
Воздухоохладитель дизеля 11Д45
пластинчатый, его охлаждающий
элемент составляется из набора
гофрированных металлических плас-
тин, ограниченных листами. Набор
пластин образует несообщающиеся
между собой прямые каналы для
воздуха и волнообразные каналы
для воды.
На мощных тепловозах ТЭП75 и
ТЭ136 применены воздуховоздушные
теплообменники, представляющие
собой сложную сотообразную струк-
туру из алюминиевых гофрирован-
ных листов, образующую в сосед-
них слоях взаимно перпендикуляр-
ные каналы для горячего и наруж-
ного воздуха.
Вентиляторы. В охлаждающем
устройстве вентиляторы обеспечива-
ют протекание через радиатор необ-
ходимого расхода охлаждающего
воздуха. Как известно из основ
теплопередачи (см. гл. 3), коэффи-
циент теплопередачи воздушных
радиаторов увеличивается с увели-
чением скорости воздушного потока.
Оптимальная эффективность теп-
лопередачи достигается при скоро-
сти воздуха через радиатор в его
узком сечении примерно 10 м/с.
Тогда, например, для отвода тепла
от радиатора тепловоза 2ТЭ10В, со-
стоящего из 38 стандартных и 38
укороченных секций с общей пло-
щадью живого сечения для прохода
воздуха (0,148 + 0,066)38 = 8,1 м2, не-
обходим расход охлаждающего воз-
духа не менее 80 м3/с, или 288 тыс.
м3/ч. Такой расход и должен иметь
вентилятор охлаждающего устрой-
ства тепловоза. Выбор типа венти-
лятора для этой цели определяется
особенностями условий работы: боль-
шие расходы воздуха при относи-
тельно небольших потерях давления
(1 —1,5 кПа). Поэтому в охлаж-
дающих устройствах тепловозов при-
меняются осевые вентиляторы, об-
ладающие именно такими особен-
ностями: большим расходом при
малом давлении. Вентиляторные ко-
леса имеют 6—8 лопастей аэроди-
намического (крыловидного) про-
филя.
Применяются вентиляторы типа
ЦАГИ серий У (с прямыми лопас-
тями) — тепловоз ТЭЗ и УК-2М
(с закрученными лопастями, имею-
щими переменный угол наклона ло-
пасти, увеличивающийся от пери-
ферии к основанию) — тепловозы
2ТЭ10В, 2ТЭ116 и др.
Регулирование температуры ох-
лаждающих жидкостей. Так как
тепловыделения дизеля в воду и
масло зависят от режима его ра-
боты по нагрузке и частоте враще-
ния, то при изменении его режима
соответственно должна меняться и
теплорассеивающая способность ра-
диатора. Если при уменьшении на-
грузки дизеля при работе на одной
и той же позиции контроллера произ-
водительность вентилятора не изме-
нится (а так будет, если вал вен-
тилятора непосредственно связан
с валом дизеля), то радиатор будет
рассеивать в атмосферу тепла боль-
ше, чем его выделяет дизель. Это
приведет к понижению температуры
(переохлаждению) воды и масла и
неблагоприятно отразится на работе
дизеля. Такая картина будет иметь
место в эксплуатации очень часто,
так как система охлаждения дизеля
должна быть рассчитана на отвод
тепла в наиболее трудных условиях
(при полной мощности дизеля и тем-
пературе наружного воздуха 40 °C).
Если не управлять производительно-
169
стью вентилятора, то рабочие жид-
кости будут почти всегда переох-
лаждены, так как расчетные режи-
мы в эксплуатации бывают не часто.
Поэтому на тепловозе обязательно
должна быть возможность регулиро-
вать температуры охлаждающих
жидкостей, а точнее, поддерживать
их в заданном диапазоне незави-
симо от нагрузки дизеля и темпе-
ратуры наружного воздуха. Для это-
го необходимо следить за темпера-
турами охлаждающих жидкостей и,
в зависимости от того, выше или
ниже они требуемого диапазона, уве-
личивать или уменьшать расход
охлаждающего воздуха через ради-
аторы. Осуществлять это можно
различными путями. Наиболее прос-
той путь — это прикрытие боковых
и верхних жалюзи. Прикрытые жа-
люзи играют роль задвижки, увели-
чивающей аэродинамическое сопро-
тивление на пути потока воздуха
через шахту холодильника и соот-
ветственно уменьшающей его рас-
ход. Этот способ простой, он часто
применяется на тепловозах, но он
невыгоден энергетически, так как
мощность, потребляемая вентилято-
ром от вала дизеля, в этом случае не
уменьшается, а расходуется беспо-
лезно на преодоление дополнитель-
ных сопротивлений. Для тепловозов
малой мощности (маневровых и т. п.)
это не так существенно, потому что
сами по себе затраты мощности на
вентилятор холодильника у них
невелики (11 кВт у ТГМЗА, 37 кВт
у ТЭМ2). Но у мощных тепловозов
вентиляторы холодильника требуют
для привода больших мощностей
(100—150 кВт), и поэтому потери
даже части этой мощности имеют
значение.
Возможен и другой простой способ
управления процессом теплоотвода
от радиаторов — это работа венти-
лятора по принципу «включено»—
«выключено», т. е. включение венти-
лятора, если температуры жидко-
стей растут, и отключение, если сни-
жаются. Регулирование по этому
принципу осуществить просто —
170
нужно иметь на валу вентилятора
управляемую муфту, но регулирова-
ние оказывается очень грубым и
дизель практически все время ра-
ботает при нестабильных темпера-
турах охлаждающих жидкостей, что
вредно сказывается на его состоя-
нии. Поэтому такая система оп-
равдана только на тепловозах не-
большой мощности.
На мощных тепловозах необхо-
димо непосредственно управлять
подачей вентилятора: либо путем
изменения частоты вращения вен-
тиляторного колеса, либо изменением
аэродинамических характеристик са-
мого вентилятора.
Возможности регулирования час-
тоты вращения вентилятора (при не-
изменной частоте вращения колен-
чатого вала дизеля) зависят от кон-
струкции привода вентилятора. В за-
висимости от типа привода (см. ни-
же) скорость вращения вентилятора
может изменяться либо ступенчато,
либо непрерывно. Изменение аэро-
динамических характеристик венти-
лятора в опытных конструкциях осу-
ществлено путем изменения угла на-
клона лопастей.
Все действия по регулированию
температуры воды и масла могут
выполняться либо вручную маши-
нистом, либо автоматически.
Привод вентилятора охлаждаю-
щего устройства, как и прочих вспо-
могательных механизмов, на тепло-
возах может осуществляться тремя
основными способами: а) прямым ме-
ханическим приводом от коленча-
того вала дизеля через зубчатые пе-
редачи и карданные валы; б) гидрав-
лическим (гидродинамическим или
гидростатическим); в) электриче-
ским (переменного или постоянного
тока).
В отечественном тепловозострое-
нии наибольшее распространение
получили механический и гидроди-
намический приводы. Применяется
также гидростатический привод и в
опытном порядке — электрический.
Механический привод вентилятора
с двухступенчатым изменением ско-
рбсти вращения применен на тепло-
возах ТЭЗ (рис. 6.26, а).
Вентилятор приводится во враще-
ние от нижнего коленчатого вала
дизеля через систему промежуточных
валов и редукторов. С валом 1 ди-
зеля 4 соединен приводной вал II,
передающий вращение через муфту 2
на распределительный (гидромеха-
нический) редуктор РР. Промежу-
точные горизонтальные валы III и
IV с одной стороны соединены муф-
той 7 с выходным валом редуктора,
муфтой 8 между собой, а с другой
стороны — муфтой 9 с горизонталь-
ным валом V углового редуктора
УР. Вал IV опирается на промежу-
точную опору ПО. От редуктора УР
с коническими шестернями 10 и 11
через вертикальный вал VII и кар-
данный VIII вращение передается ва-
лу IX вентиляторного колеса 14, уста-
новленному в подпятнике ПП.
Включение и отключение вентиля-
тора осуществляются дисками 12
и 13 фрикционной муфты ФМ. Рас-
пределительный редуктор РР обеспе-
чивает возможность работы венти-
лятора на двух режимах по частоте
вращения: зимний режим (в зацеп-
лении шестерни 4—6) —1020 об/мин
и летний (шестерни 3—5) —1380
об/мин (при частоте вращения вала
дизеля 850 об/мин).
Переключение передач осущест-
вляется вручную перемещением под-
вижных шестерен 5—6 рычагом.
Гидродинамический привод венти-
лятора с плавным регулированием
скорости применен на тепловозах
2ТЭ10В(М). В этой схеме (рис.
6.26, б) регулирующим звеном яв-
ляется гидродинамическая муфта
переменного наполнения ГМ. Она
заменяет два звена из схемы меха-
нического привода: звено регулиро-
вания — зубчатую передачу распре-
делительного редуктора и звено от-
ключения — фрикционную муфту.
Более того, гидромуфта переменного
наполнения позволяет регулировать
частоту вращения вентиляторного
колеса не ступенчато, а плавно и
непрерывно. Остальные элементы
привода работают так же, как и в
предыдущей схеме.
Гидропривод вентилятора (рис.
6.27) состоит из гидромуфты и уг-
лового редуктора, объединенных в
общем корпусе 16. Чугунный корпус
делится поперечной перегородкой на
две части: среднюю, ограниченную
с торца фланцем 1, в которой разме-
щена гидромуфта, и заднюю, в ко-
торой размещен угловой редуктор,
состоящий из горизонтального 13
и вертикального 15 валов с фланцами
7 и 28, связанных коническими шес-
тернями 11 и 14. Вал 13 опирается
на подшипники 17 и 12, установлен-
ные во втулках в соответствующие
расточки корпуса. Вертикальный
вал 15 имеет подшипниковый узел
(роликоподшипники 8 и 10 и шари-
Рис. 6.26. Схема привода вентилятора холодильника:
а — механический (тепловоз ТЭЗ); б — гидродинамический (тепловоз 2ТЭ10)
171
А-А
Рис. 6.27. Гидропривод вентилятора холодильника тепловоза 2ТЭ10В(М):
/—фланец корпуса; 2—втулка; <3— колокол гидромуфты; 4—турбиииое колесо гидромуфты; 5, 8, 10, 12 и 19—роликоподшипники; 6—зубчатая
муфта; 7 и 28—фланцы валов; 9, 17, 23, 24 и 30—шарикоподшипники; //и 14—конические шестерни углового редуктора; 13—горизонтальный вал;
15—вертикальный вал; 16—корпус; 18—насосное колесо гидромуфты; 20 и 32—цилиндрические шестерни; 21—черпательная трубка; 22—фильтр; 25 и
29—шестерни привода лопастного насоса; 26—лопастной насос; 27— ведущий вал; 31—зубчатая рейка; 33—ступица; 34—пружина
коподшипник 9), аналогичный соот-
ветствующему узлу углового редук-
тора тепловоза ТЭЗ.
Гидромуфта состоит из насосного
колеса 18, укрепленного на фланце
ведущего вала 27, турбинного ко-
леса 4, прикрепленного к фланцу
зубчатой муфты 6, входящей в за-
цепление с горизонтальным валом
13, и колокола 3, ограничивающего
внутренние полости муфты, во время
работы заполненные рабочей жид-
костью (маслом). Принцип действия
и основы устройства гидродинами-
ческих муфт рассмотрены в гл. 7.
Детали гидромуфты отлиты из
алюминиевого сплава, рабочие ко-
леса имеют радиальные лопатки.
Ведущий вал вращается в под-
шипниках 30 и 19, установленных в
ступице 33, и центрируется подшип-
ником 5 с зубчатой муфтой 6.
Гидромуфта заполняется маслом
из масляной системы дизеля. Через
штуцер А и каналы во фланце 1
и ступице 33 оно попадает в кольце-
вой зазор между втулкой 2 и веду-
щим валом 27, затем — по каналам
внутри вала — во внутреннюю по-
лость между колесами гидромуфты
и далее заполняет тороидальную
рабочую полость между лопатками
колес, называемую кругом циркуля-
ции гидромуфты.
Одновременно по различным ка-
налам часть потока масла отводится
на смазку зубчатых колес и подшип-
ников. Избыток масла стекает в
нижнюю часть корпуса. Для осуше-
ния корпуса от масла служит лопаст-
ной насос 26, приводимый во вра-
щение от ведущего вала через шес-
терни 29 и 25.
Регулирование передаточного от-
ношения между ведущим 27 и гори-
зонтальным 13 валом осуществляет-
ся за счет изменения степени за-
полнения круга циркуляции гидро-
муфты маслом. При полном запол-
нении этого объема гидромуфты ее
турбинное колесо вращается с час-
тотой лишь на 2 % («скольжение»)
меньше частоты вращения насосного
колеса. В этом случае скорость вра-
щения вертикального вала, а следо-
вательно, и вентиляторного колеса
будет наибольшей. При уменьшении
количества масла в круге циркуля-
ции скольжение возрастает, а час-
тота вращения вертикального вала
и вентилятора падает.
Степень заполнения круга цирку-
ляции регулируется положением двух
черпательных трубок 21 в простран-
стве между насосным колесом и
колоколом. Трубки одним концом
вместе с шестернями 20 укреплены
на ступице 33 и могут поворачи-
ваться относительно оси шестерен
на пустотелых штуцерах. Второй —
свободный — конец каждой трубки
открыт.
При работе гидромуфты масло в
круге циркуляции под действием
центробежных сил проникает через
кольцевую щель между колесами в
пространство под колоколом 3 и за-
полняет его, вращаясь вместе с ним
в виде кольцевой струи. Если на-
встречу этому потоку установить
неподвижно черпательную трубку, то
жидкость под действием своего ди-
намического напора будет втекать
внутрь трубки. Из трубки масло
подается во внутреннюю полость
штуцера, на котором укреплены
трубка и шестерня 20, затем в про-
дольный канал в ступице 33 и далее
через каналы в ступице и фланце 1
и патрубок Б — в масляную систему
дизеля. Таким образом, черпатель-
ная трубка как бы откачивает масло
из круга циркуляции.
В установившемся состоянии из
круга циркуляции окажется откачан-
ной та часть вращающегося потока
масла, которая занимала простран-
ство внутри кольца с радиусом, рав-
ным расстоянию носка трубки от
оси вращения колес. Круг цирку-
ляции гидромуфты по закону сооб-
щающихся сосудов при этом также
будет заполнен не полностью.
Изменяя положение черпательной
трубки от крайнего внутреннего по-
ложения на диаметре 206±3 мм
(круг циркуляции заполнен) до
крайнего внешнего (круг циркуля-
173
ции опорожнен), можно в широком
диапазоне и непрерывно регулиро-
вать частоту вращения вентилятора.
При опорожненной муфте турбинное
колесо и вентилятор вращаются с
небольшой частотой за счет трения
воздуха и наличия остатков масла
в круге циркуляции.
Управление положением черпа-
тельных трубок осуществляется так.
Шестерни 20 входят в зацепление с
зубчатым венцом на втулке 2. На
левом (см. рис. 6.27) конце втул-
ки 2 насажена шестерня 32, входя-
щая в зацепление с зубчатой рейкой
31, перемещение которой на 43 ±
± 1 мм соответствует полному диа-
пазону положений черпательных
трубок. Рейка 31 связана с сервопри-
водом системы автоматического ре-
гулирования температуры охлажда-
ющих жидкостей.
Гидростатический привод венти-
лятора с плавным регулированием
(рис. 6.28) применен на тепловозах
ТЭП70, ТЭП60, ТГ16 и др. Передача
мощности от дизеля к вентиляторам
осуществляется аксиально-поршне-
выми гидроагрегатами, в работе ко-
торых используется не кинетическая
энергия жидкости, как в гидродина-
мических аппаратах, а энергия ее
статического давления (см. гл. 2).
На тепловозе ТЭП60 работают два
гидравлических аксиально-поршне-
вых насоса 3 и 4, имеющих привод
от вала / дизеля через общий ре-
Рис. 6.28. Схема гидростатического привода
вентилятора холодильника тепловоза ТЭП60
174
дуктор 2. Закачивая жидкость (мас-
ло) из бака 10, они нагнетают его
под высоким давлением (от 4 до
11,8 МПа в зависимости от режима)
соответственно в аксиально-поршне-
вые гидромоторы 13 и 15, вращаю-
щие вентиляторные колеса 12 и 14.
Из гидромоторов обоих контуров
масло поступает через соединенные
параллельно фильтр 9, состояние
которого контролируется маномет-
ром 11, и охлаждающую секцию ра-
диатора 8 в бак 10 (конструктивно
фильтр 9 и бак 10 объединены в один
узел — фильтр-бак).
Частота вращения вентиляторов
регулируется изменением расхода
жидкости, поступающей в гидромо-
торы (насосы работают с постоянной
производительностью, а к моторам
поступает вследствие возможности
перепуска только часть потока). Для
этой цели в контуре каждого гидро-
мотора трубопроводы, подводящие
масло и отводящие его, соединены
перемычкой, в которую установлен
терморегулятор (6 или 7), управ-
ляющий перепуском в зависимости
от температур охлаждающих жид-
костей.
Терморегулятор 6 управляет часто-
той вращения вентилятора 14 в зави-
симости от температуры воды, а тер-
морегулятор 7 — вентилятором 12 в
зависимости от температуры масла.
Клапан 5 служит для слива масла.
Давление нагнетания контролирует-
ся манометрами 16, присоединенны-
ми к клапанным коробкам гидро-
насосов.
В системе гидропривода тепловоза
ТЭП70 не два, а три контура (на-
сос—мотор), причем все контуры
независимы друг от друга.
Гидроагрегаты, применяемые в
этой схеме (насосы и моторы), од-
нотипны (рис. 6.29). Вал 1 гидроаг-
регата, размещенный в корпусе 2,
приводится во вращение от вала
редуктора. В корпусе 3 помещается
блок цилиндров 13, в девяти расточ-
ках которого находятся бронзо-
вые поршни 9, соединенные шату-
нами 12 с фланцем вала /. Шаро-
1
2
3
4
5
вые головки шатунов завальцованы
соответственно в поршнях и брон-
зовых вкладышах 14, в свою оче-
редь завальцованных в гнездах
фланца вала /. Блок цилиндров 13
вращается на оси 11, центрируясь
подшипником 4. Пружиной 10, на-
саженной на ось 11, блок прижи-
мается к торцу неподвижного брон-
зового распределителя 8. Подвод и
отвод масла осуществляются через
крышку 7. При помощи карданного
вала 15 вращение от вала 1 пере-
дается блоку цилиндров 13. Так как
ось блока цилиндров отклонена от
оси вала гидроагрегата (на угол
30°), то за один оборот вала 1 каж-
дый из девяти поршней совершает
два хода: вперед и назад. Ось блока
укреплена в крышке 7 болтом 6.
Маслораспределение организовано
сочетанием неподвижного распреде-
лителя 8 с двумя полукольцевыми
каналами (приемным и отдающим)
и вращающегося блока цилиндров
13 с окнами на торце для прохода
масла в цилиндры под поршни. Для
предохранения системы от чрезмер-
ного повышения давления предус-
мотрена клапанная предохранитель-
ная коробка 5, которая отрегулиро-
вана на максимальное давление
15,0 МПа (гидромоторы клапанных
коробок не имеют). Для предотвра-
щения задира и перегрева трущихся
деталей корпус гидроагрегата за-
полняется маслом выше блока ци-
линдров.
При работе гидроагрегата в ка-
честве гидромотора (приводящего во
вращение колесо вентилятора холо-
дильника) через один из полуколь-
цевых .каналов распределителя 8
масло подводится к блоку цилинд-
ров 13. Давление на поршни пере-
дается шатунам 12. На больших го-
ловках шатунов возникают каса-
тельные силы, создающие вращаю-
щий момент на валу 1, с которым
соединяется вентиляторное колесо
холодильника.
Электрический привод вентилято-
ра имеет простую принципиальную
схему и может применяться на по-
стоянном и переменном токе. В этом
случае энергия для привода, отби-
раемая от вала дизеля, сначала пре-
образуется в электрическую и затем
поступает в электродвигатель вен-
тилятора.
Энергоснабжение электродвига-
теля вентилятора может осущест-
вляться либо от специального гене-
ратора постоянного тока — на теп-
ловозах ТГМЗ (рис. 6.30) или пере-
менного тока — на дизель-поездах
175
Рис. 6.30. Принципиальная схема электричес-
кого привода вентилятора на постоянном то-
ке (тепловоз ТГМЗА):
Д — дизель; ГХ — вспомогательный генератор
привода вентилятора; ДВ — электродвигатель вен-
тилятора
ДР1 и ДР2, либо непосредственно
от тягового генератора (передача
переменно-постоянного тока). Такая
схема принята на тепловозах 2ТЭ116.
Применение электрического привода
облегчает размещение как охлажда-
ющих устройств, так и прочего обо-
рудования на тепловозах, так как
исключает необходимость громозд-
кой системы валов и редукторов.
Система электрического привода
легче автоматизируется.
Существенное упрощение
струкции электрического
может быть достигнуто за
встраивания приводного
KOH-
привода
счет
электро-
двигателя непосредственно в вен-
тиляторное колесо. Мотор-вентиля-
торы такого типа применены на теп-
ловозах 2ТЭ116.
Основой конструкции мотор-вен-
тилятора (рис. 6.31) является об-
ращенный («вывернутый») асин-
Рис. 6.31. Мотор-вентилятор переменного тока
тепловоза 2ТЭ116
хронный электродвигатель, статор 3
которого свернут в виде цилиндра
с обмоткой на внешней поверхности,
а короткозамкнутый ротор 8 выпол-
нен в виде кольца, охватывающего
статор. Статор неподвижен. В его
внутренней расточке размещен кор-
пус 4, укрепляемый в станине 9, и в
нем подшипники 6 и 10, в которых
вращается внутренний вал И ротора.
Ротор укреплен на валу И при по-
мощи ступицы 5 и крышки 7 полу-
сферической формы. Лопасти / вен-
тилятора укреплены непосредствен-
но на внешней поверхности ротора.
Мотор-вентилятор тепловоза 2ТЭ116
устанавливается вместе с системой
радиальных поворотных жалюзи 2.
Для управления поворотом жалюзи
мотор-вентилятор имеет пневмати-
ческий сервопривод с рычажной пе-
редачей (на схеме рис. 6.31 не по-
казаны). Особенности электриче-
ского устройства этой машины рас-
смотрены в гл. 8.
Диаметр лопастей вентилятора в
таких конструкциях принимается
сравнительно небольшим (900—
1100 мм), так как при больших раз-
мерах увеличенный маховой момент
вентиляторного колеса (пропорцио-
нальный квадрату диаметра) суще-
ственно увеличивает время разгона
вентилятора. Из-за меньшего диа-
метра лопастей в охлаждающем уст-
ройстве тепловоза применяется не
один, а несколько мотор-вентилято-
ров (на тепловозе ТЭ109 — три, на
2ТЭ116 — четыре).
Привод переменного тока по раз-
мерам и массе имеет лучшие пока-
затели по сравнению с приводом
постоянного тока, хотя с точки
зрения регулирования постоянный
ток дает больше возможностей (мож-
но регулировать частоту вращения
вентилятора, в то время как при пе-
ременном токе регулирование осу-
ществляется лишь включением и вы-
ключением двигателей отдельных мо-
тор-вентиляторов). Преимущества
электрического привода по сравне-
нию с механическим и даже гидро-
динамическим позволяют ожидать
176
его широкого применения на мощных
тепловозах.
Системы автоматического регули-
рования температуры охлаждающих
жидкостей состоят из датчиков тем-
пературы с усилителями и исполни-
тельными механизмами. Конструк-
ция механизмов определяется ти-
пом и особенностями системы при-
вода вентилятора холодильника. В
зависимости от конструкции охлаж-
дающих устройств и числа контуров
водяной системы возможно раздель-
ное регулирование температур воды
и масла (тепловозы 2ТЭ10В, ТЭП60,
ТЭП70, 2ТЭ116) или объединенное
(тепловоз ТЭ109).
В системах автоматического ре-
гулирования температуры охлаж-
дающих жидкостей на современных
тепловозах применяются специаль-
ные терморегуляторы. Их конструк-
ция на разных тепловозах несколько
различна, но принцип действия один.
Измерительным элементом (датчи-
ком) в них является термобаллон,
заполненный церезином — кристал-
лическим веществом, обладающим
большим коэффициентом объемного
расширения (в диапазоне температур
от 5 до 80 °C его объем увеличивает-
ся на 4—5 %).
Объемное расширение церезина в
термобаллоне, помещенном в ох-
лаждаемую жидкость, в конструкции
терморегулятора преобразуется в ли-
нейное перемещение штока (у термо-
регулятора тепловоза 2ТЭ10В при-
мерно на 1 мм при повышении тем-
пературы на 1 °C в диапазоне от 75
до 80 °C).
Перемещение штока терморегуля-
тора является управляющим воз-
действием в системе регулирования.
В зависимости от конструкции си-
стемы автоматического регулирова-
ния и типа привода вентилятора хо-
лодильника оно передается дальше:
а) на тепловозе 2ТЭ10В при по-
вышении температуры до 73 °C мик-
ровыключателям, управляющим
включением привода жалюзи; при
повышении температуры от 75 до
80 °C гидравлическому сервомотору,
воздействующему через зубчатую
рейку на положение черпательных
трубок в гидромуфте привода вен-
тилятора холодильника;
б) на тепловозах ТЭП60 и ТЭП70
непосредственно дросселю, управ-
ляющему подачей жидкости к гидро-
мотору;
в) на тепловозах 2ТЭ116 микро-
выключателям, управляющим при-
крытием боковых жалюзи со сто-
роны секций радиатора первого и
второго контуров и включением
(поочередным) мотор-вентиляторов.
Г л а в a 7. ТЕПЛОВОЗНЫЕ ПЕРЕДАЧИ
7.1. НЕОБХОДИМОСТЬ
ТЯГОВОЙ ПЕРЕДАЧИ
И ЕЕ НАЗНАЧЕНИЕ
Особенности работы локомотива.
Профиль пути железнодорожных
линий состоит из различных по кру-
тизне и длине элементов: подъемов,
площадок, спусков. По всем этим
элементам на конкретном участке
пути локомотив ведет один и тот же
состав. Поэтому при движении поез-
да от локомотива требуются раз-
личные значения движущей силы—
силы тяги — на разных элементах
профиля пути. Но необходимые зна-
чения силы зависят не только от
крутизны профиля при установив-
шемся движении, они связаны и с
характером самого движения. Тепло-
воз должен быть способен выпол-
нять все стадии движения поезда:
трогание поезда с места на станции,
разгон его и поддержание движения
со скоростью, установленной гра-
фиком.
При движении поезда локомотив
совершает определенную механи-
ческую работу (работа —это про-
изведение силы на путь, пройденный
в ее направлении). На выполнение
работы должна быть затрачена энер-
гия. Ее «источником» на тепловозе
является дизель, преобразующий
внутреннюю химическую энергию
топлива в механическую работу вра-
щения коленчатого вала с нагруз-
кой, присоединенной к нему.
Тяговая характеристика. На веду-
щих осях тепловоза за счет работы
на валу дизеля развивается сум-
марный вращающий момент А4К, пе-
редаваемый на колеса:
M^FkPk/2,
где FK — движущая сила, являющаяся
суммой сил, возникающих в опорных
точках контакта ведущих колес с рель-
сами в результате трения (сцепления)
178
между ними, называемая силой тяги;
DK — диаметр колес.
Сила тяги тепловоза зависит от
многих факторов. Зависимость силы
тяги FK от скорости движения локо-
мотива v, изображенная графиче-
ски, называется тяговой характерис-
тикой локомотива. Наименьшие зна-
чения скорости движения грузовых
тепловозов с поездом на самом тяже-
лом профиле (расчетном подъеме)
принимаются обычно в пределах 20—
25 км/ч. Так как максимальная ско-
рость движения грузовых тепловозов
не превышает 100 км/ч, то тепловоз
должен работать в диапазоне четы-
рех-, пятикратного изменения ско-
рости.
Тяговые и экономические свойства
дизеля. Дизель как двигатель от-
личается целым рядом характерных
особенностей, которые отражаются
на возможностях его применения для
тяговой службы в качестве источника
энергии на тепловозе.
Мощность дизеля Ne при постоян-
ной подаче топлива (за цикл) из-
меняется почти пропорционально
частоте вращения коленчатого вала
(рис. 7.1), Наибольшая (номи-
нальная) мощность Мном ограничи-
вается предельными значениями по-
дачи топлива и частоты вращения
ВИЛИ ^ном*
Вращающий момент на валу дви-
гателя М при постоянной подаче
топлива почти не зависит от частоты
вращения вала (см. рис. 7.1) и может
считаться постоянным.
Дизель может работать только в
определенном диапазоне частот вра-
щения коленчатого вала — от nmin до
«„ом, причем лт1п (частота холостого
хода) ограничивается условиями
надежного самовоспламенения топ-
лива и составляет от 25 до 40 %
Дизели обычного исполнения не
поддаются реверсированию, т. е. не
допускают изменения направления
вращения вала (без существенного
усложнения конструкции).
Дизели практически не допуска-
ют (даже кратковременных) пере-
грузок по вращающему моменту.
Для пуска дизеля необходим до-
полнительный (посторонний) источ-
ник энергии.
В рабочем диапазоне частот вра-
щения коленчатого вала (лт|П...
«„ом) и нагрузок дизель работает
неодинаково экономично. Наимень-
ший удельный расход топлива (см.
гл. 4) обычно соответствует нагруз-
кам и частотам вращения, близким
к номинальным.
Как видно из перечисления, ди-
зель как двигатель недостаточно от-
вечает требованиям транспортной
службы, где нужно изменять значе-
ния вращающего момента (силы тя-
ги) и развивать неизменную мощ-
ность при изменениях скорости дви-
жения.
Идеальная тяговая характерис-
тика тепловоза. Из расссмотрения
тяговых свойств дизеля вытекает,
что для получения от него, а следо-
вательно, и от тепловоза наиболь-
шей возможной мощности дизель
должен работать с максимальной
частотой вращения коленчатого ва-
ла.
Для того чтобы постоянная (наи-
большая) мощность дизеля ис-
пользовалась полностью во всем ра-
бочем диапазоне движения теплово-
за, тяговая характеристика тепло-
воза должна иметь вид гиперболи-
ческой кривой (если NK = const, то
FKy = const, а это и есть уравнение
гиперболы в координатах FK, v).
Характеристика такой формы (рис.
7.2) называется идеальной тяговой
характеристикой тепловоза. Гипербо-
лическая тяговая характеристика
имеет ограничения по максимально-
му значению силы тяги Гкп1ах (по ус-
ловиям сцепления колес с рельсами
без проскальзывания) и по макси-
мальной скорости Уконстр (по ПРОЧНО-
СТИ ходовых частей и воздействию на
путь). Полная мощность дизеля теп-
ловоза с идеальной тяговой харак-
теристикой используется в рабочем
диапазоне скоростей движения от
V1 ДО Уконстр.
Идеальная тяговая характеристи-
ка обеспечивает необходимое уве-
личение силы тяги при трогании с
места и разгоне поезда, полное
использование мощности дизеля
при движении на различных элемен-
тах профиля (спусках, подъемах,
площадках) с поездами разного
веса.
Тяговые свойства тепловоза не-
посредственного действия. Энергия
и момент дизеля должны быть пе-
реданы движущим осям тепловоза.
Проще всего это можно осуществить
непосредственно. Для этого доста-
точно соединить кинематически вал
дизеля и оси колесных пар (через
зубчатые колеса и карданные валы).
Именно так представлял себе теп-
ловоз сам изобретатель теплового
Рис. 7.2. Идеальная тяговая характеристика
179
двигателя Р. Дизель. Он в 1906—
1912 гг. вместе с другими специа-
листами построил в Германии теп-
ловоз такого типа (с непосред-
ственной связью вала дизеля с ко-
лесами). Однако такая простая кон-
струкция (тепловоз непосредствен-
ного действия) оказывается полно-
стью неработоспособной по целому
ряду причин. Сила тяги такого
тепловоза была бы почти неизмен-
ной (при постоянной подаче топлива)
независимо от скорости движения
(рис. 7.3), так как при этом усло-
вии вращающий момент на валу
дизеля почти не зависит от частоты
вращения его вала.
В то же время мощность Л\ тепло-
воза с непосредственной передачей
при постоянной силе тяги FK прямо
пропорциональна скорости его дви-
жения v, так как NK = FKv.
Таким образом, номинальная мощ-
ность дизеля может быть использо-
вана только при движении с макси-
мальной скоростью, т. е. на самых
легких участках профиля и при по-
ездах малого веса. Во всех осталь-
ных случаях движения с меньшими
скоростями — на трудных элемен-
тах профиля, с поездами большого
веса — мощность дизеля не может
быть использована полностью (см.
рис. 7.3).
Тепловоз непосредственного дей-
ствия не обеспечивал бы трогание
поезда с места и его разгон, так как
дизель не воспринимает нагрузок при
малых частотах вращения коленчато-
го вала (меньше nmln). Таким обра-
0
vmin vmax &
Рис. 7.3. Тяговая характеристика тепловоза
непосредственного действия
зом, тепловоз непосредственного дей-
ствия практически неработоспосо-
бен, что и подтвердилось при ис-
пытаниях тепловоза Р. Дизеля. Он
так и не смог работать.
Есть два пути приспособления
дизеля к тяговой службе. Первый —
это создание специального транс-
портного дизельного двигателя, ра-
бочий процесс которого был бы
близок к процессу паровой машины
паровоза, работающей при непо-
средственной связи с колесами. По
этому пути пытался пойти выдаю-
щийся русский специалист-теплотех-
ник профессор В. И. Гриневецкий.
В 1906—1908 гг. он спроектировал,
построил и испытал такой двига-
тель. Двигатель оказался довольно
сложным: каждый его рабочий ци-
линдр состоял из трех параллельно
расположенных цилиндров.
Поэтому отечественное и мировое
тепловозостроение с самого начала
развития пошло по другому пути—
применению на тепловозах тяговой
передачи.
Передача и требования к ней.
Чтобы приспособить дизель к тяго-
вой службе, на тепловозах между
валом дизеля и ведущими осями
предусматривают специальное про-
межуточное устройство (или систе-
му), называемое тяговой передачей
тепловоза.
В передаче механическая работа
вращения коленчатого вала дизеля
(она характеризуется постоянством
мощности, вращающего момента и
частоты вращения) преобразуется в
механическую работу вращения ве-
дущих колес тепловоза, которая
характеризуется переменными вра-
щающим моментом и частотой вра-
щения осей колесных пар (при
постоянстве мощности).
Передача должна обеспечить: воз-
можности изменения силы тяги и ско-
рости тепловоза в широких пределах
при работе дизеля с постоянной час-
тотой вращения вала; использование
полной мощности дизеля в широком
диапазоне скоростей движения, т. е.
180
приближение тяговой характеристи-
ки к идеальной; возможность ревер-
сирования тепловоза.
Как и всякий рабочий механизм,
преобразующий энергию, передача
должна иметь достаточно высокий
к. п. д. на всех режимах тепловоза.
Кроме того, передача должна иметь
по возможности малые габариты,
вес и стоимость, быть надежной в
эксплуатации.
Обслуживание и ремонт передачи
также должны быть по возможности
более простыми.
Использование тяговой передачи
и делает тепловоз локомотивом, дает
возможность ему двигаться в раз-
личных режимах, совершать транс-
портную перевозочную работу. Ре-
шение проблемы тяговой передачи
позволило отечественным специа-
листам под руководством профессо-
ров Ю. В. Ломоносова и Я. М. Гак-
келя создать в 1924 г. первые в мире
работоспособные и достаточно мощ-
ные магистральные тепловозы с
электрической передачей.
7.2. ТИПЫ ТЯГОВЫХ ПЕРЕДАЧ
В зависимости от способа преоб-
разования, средств передачи энергии
от дизеля к движущим осям и кон-
структивного исполнения на тепло-
возах теоретически можно приме-
нять следующие типы тяговых пе-
редач: механическую, гидравличе-
скую, гидромеханическую, электри-
ческую, электрогидравлическую,
электромеханическую и газовую
(воздушную).
При всем многообразии возмож-
ных типов тяговых передач прак-
тическое применение на тепловозах
нашли три основных типа передачи:
электрическая, гидравлическая и ме-
ханическая.
Механическая передача по устрой-
ству является наиболее простой.
Она представляет собой редуктор
(«коробку скоростей»), расположен-
ный кинематически между коленча-
тым валом дизеля и ведущими осями
тепловоза. Для возможности изме-
нения передаточного отношения, что
необходимо для регулирования силы
тяги, коробка скоростей должна
иметь несколько переключаемых сту-
пеней, а также возможность ревер-
сирования — для движения тепло-
воза задним ходом.
Для пуска дизеля без нагрузки
и изменения направления движения
тепловоза механическая передача
должна иметь устройство, позво-
ляющее отсоединять вал дизеля от
движущих колес (муфту сцепле-
ния).
Муфта сцепления может быть
фрикционной, как на автомобилях,
электромагнитной и т. д. На неко-
торых тепловозах с механической
передачей для этой цели применяют
муфту гидравлического типа — гид-
ромуфту (см. ниже), обеспечиваю-
щую большую плавность включения.
Коробки скоростей на тепловозах
с механической передачей имеют три-
четыре, а иногда и пять ступеней
скорости.
Достоинства механической переда-
чи заключаются в простоте кон-
струкции, компактности, сравнитель-
но малом весе, низкой стоимости из-
готовления и довольно высоком
среднем к. п. д. (0,85—0,90). Но
механическая передача имеет и серь-
езные недостатки. Из-за ограничен-
ности числа ступеней передачи тяго-
Рис. 7.4. Тяговая характеристика тепловоза с
трехступенчатой механической передачей
181
вая характеристика тепловоза имеет
вид ступенчатой ломаной линии,
значительно отличающейся от ги-
перболы (рис. 7.4). Ступенчатость
характеристики (аналогично изло-
женной выше особенности тепловоза
непосредственного действия) не обес-
печивает полного использования
мощности дизеля в скоростных диа-
пазонах каждой ступени скорости.
Другим недостатком является пол-
ная потеря силы тяги при переклю-
чении ступеней передачи. Поэтому
переключения скоростей в процессе
движения неизбежно вызывают ди-
намические перегрузки деталей пере-
дачи. Механическую передачу имел
одйн из первых советских теплово-
зов Эмх3, построенный в 1927 г.
Его опытная эксплуатация в течение
шести лет показала, что указанные
недостатки трудно устранимы. По-
этому на мощных поездных тепло-
возах такую передачу применять
нецелесообразно.
Механические передачи в настоя-
щее время применяются на автомот-
рисах и мотовозах, а также на ма-
невровых тепловозах малой мощно-
сти и некоторых дизель-поездах.
Электрическая и гидравлическая
передачи, принципы действия кото-
рых рассмотрены в начале книги
(в гл. 1—см. рис. 1.1), получили
значительно большее распростране-
ние в тепловозостроении, чем меха-
ническая передача. Электрическая
передача является основным типом
передачи для отечественных и боль-
шинства зарубежных магистраль-
ных, а также многих маневровых
тепловозов.
В тепловозостроении применяют
электрические передачи постоян-
ного и переменно-постоянного тока,
разрабатываются передачи пере-
менного тока.
Гидравлические передачи приме-
няются в нашей стране и за рубежом
в основном на тепловозах малой и
средней мощности, главным обра-
зом маневровых и промышлен-
ных.
7.3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ
ПЕРЕДАЧИ
Принцип действия и классифи-
кация. На тепловозах с гидравли-
ческой передачей мощность дизеля
передается движущим колесным
парам через жидкость, циркулирую-
щую в замкнутом объеме. Дизель
передает энергию гидравлическому
насосу, который сообщает ее жид-
кости, подавая ее под давлением к
гидравлическим двигателям (гидро-
моторам или гидротурбинам), свя-
занным с колесными парами тепло-
воза. От двигателей жидкость воз-
вращается к насосу. Жесткая ме-
ханическая связь между валом ди-
зеля и колесами тепловоза отсут-
ствует.
Таким образом, в гидравлических
передачах происходит двойное пре-
образование энергии (см. рис. 1.1,6):
сначала механическая энергия вра-
щения коленчатого вала дизеля в
гидравлическом насосе сообщается
жидкости, а затем в гидравлических
двигателях энергия, полученная жид-
костью, снова преобразуется в меха-
ническую энергию, но теперь уже
в энергию вращения колесных пар.
В этом отношении можно провести
некоторую аналогию с электрической
передачей (см. рис. 1.1, а). В ней
энергия также преобразуется дваж-
ды: тяговый генератор за счет меха-
нической энергии дизеля вырабаты-
вает электрическую энергию, которая
в свою очередь тяговыми электро-
двигателями преобразуется в ме-
ханическую, и передается движущим
колесам.
Следовательно, движение жидко-
сти в гидравлической передаче иг-
рает роль электрического тока в
электрической передаче. Отсутствие
в обоих случаях непосредственной
связи между валом дизеля и колес-
ными парами тепловоза облегчает
регулирование передаточного от-
ношения между ними и позволяет
изменять его в определенных преде-
лах плавно.
182
Гидравлические передачи могут
быть двух типов: гидростатические
(объемные) и гидродинамические.
В гидростатических передачах ра-
бота передается за счет высоких
давлений жидкости при незначи-
тельных ее расходах (скоростях).
Гидравлические насос и мотор вы-
полняются в таких передачах в виде
поршневых или ротационных машин,
в которых изменение объема осу-
ществляется принудительно. Гидро-
статические передачи не нашли при-
менения в качестве силовых пере-
дач тепловозов из-за различных тех-
нических трудностей (большие поте-
ри на трение, наличие утечек при
высоких давлениях и т. д.). Однако
такие передачи небольшой мощности
используются для привода вспомога-
тельных агрегатов тепловозов (на-
пример, вентилятора холодильника
на пассажирских тепловозах ТЭП60
и ТЭП70—см. гл. 6).
На тепловозах почти исключи-
тельно применяют гидродинамиче-
ские передачи, в которых использу-
ется кинетическая энергия жидко-
сти, циркулирующей в замкнутом
постоянном объеме. Эти передачи
состоят из центробежного насоса и
турбины, в которых имеет место не
изменение объемов, а изменение ско-
ростей жидкости.
Различают передачи, в которых
мощность передается только через
гидравлические элементы на всех
режимах работы тепловоза (на-
пример, на тепловозах ТГМ1, ТГМЗА
и ТГМЗБ, ТГМ23, ТГМ6, ТГ16), и
передачи, в которых мощность час-
тично или полностью на отдельных
режимах передается, минуя гидрав-
лические элементы, через коробку
скоростей (механическую переда-
чу) — тепловозы ТГМ2, ТГМЗ, ди-
зель-поезд Д1. Первые обычно на-
зываются просто гидравлическими,
а вторые — гидромеханическими.
Гидродинамические передачи име-
ют ряд достоинств, которые спо-
собствуют их использованию в теп-
ловозостроении. Основными их пре-
имуществами по сравнению с элект-
рической передачей являются мень-
шие габаритные размеры, вес и
стоимость на единицу мощности, а
также малый расход цветных метал-
лов. В то же время преобразование
энергии в гидропередачах происхо-
дит с несколько большими потерями,
что приводит к повышенному рас-
ходу топлива тепловозом (примерно
на 5 % в среднем).
Гидромуфты и гидротрансформа-
торы. В соответствии с изложенным
выше принципом работы схему гид-
ропередачи можно представить, как
показано на рис. 7.5, а. Центробеж-
ный насос И, получая энергию от
двигателя через вал /, засасывает
жидкость из трубопровода 4 и на-
гнетает ее по трубопроводу 5 в ра-
диальную турбину Т, из которой
жидкость возвращается в трубопро-
вод 4. При течении жидкости в замк-
нутом контуре 4—Н—5—Т—4 возни-
кают потери ее энергии из-за трения
и вихреобразования. Потери на тре-
ние зависят от скорости течения,
длины трубопроводов и качества их
внутренних поверхностей; вихревые
потери — от изменений направления
и скорости течения. Поэтому для
уменьшения потерь на трение в тру-
бопроводах 4 и 5 приходится увели-
чивать их поперечные сечения, чтобы
снизить скорость течения. Для умень-
шения вихревых потерь при выходе
из насоса и постепенного снижения
скорости служит направляющий ап-
парат (диффузор) НА\. Однако пе-
ред турбиной в направляющем ап-
парате HAi скорость течения долж-
на быть снова повышена для увели-
чения кинетической энергии жид-
кости.
Попытки создать работоспособную
передачу по этой схеме долгое время
не могли увенчаться успехом: по-
тери в трубопроводах и направляю-
щих аппаратах были настолько ве-
лики, что . к. п. д. передачи был
недопустимо низок. Выход был най-
ден в ликвидации всех трубопрово-
дов и объединении насоса и турбины
в одном корпусе в виде единого
гидроаппарата. В связи с этим отпа-
183
ли потери на трение в трубопрово-
дах, а также значительная часть
вихревых потерь.
Контур циркуляции жидкости в
гидроаппаратах ограничен простран-
ством между лопатками рабочих ко-
лес Н и Т и направляющего аппара-
та НА (рис. 7.5, б). Это позволило
существенно поднять к. п. д. гидро-
аппаратов. Для некоторых случаев
оказалось возможным исключить из
круга циркуляции и направляющий
аппарат (рис. 7.5, в), получив прос-
тую конструкцию, состоящую лишь
из упрощенных насосного и турбин-
ного колес. Таким образом, в гидро-
динамических передачах применя-
ются аппараты двух типов: гидро-
Рис. 7.6. Гидромуфта
трансформаторы, в которых, помимо
вращающихся рабочих колес (на-
сосного и турбинного), имеется и
неподвижный направляющий аппа-
рат (реактор), и гидромуфты, в ко-
торых жидкость циркулирует только
между лопатками рабочих колес.
Гидромуфта (рис. 7.6) конструк-
тивно состоит из трех основных де-
талей. Насосное колесо Н жестко
связано с ведущим валом /. Турбин-
ное колесо Т находится на ведомом
валу 2. Каждое из колес состоит из
наружного тороидального корпуса
и внутреннего тора, пространство
между которыми перегорожено ради-
альными лопатками. (Используются
конструкции гидромуфты и без внут-
реннего тора.) Для ограничения ра-
бочего пространства гидромуфты от
утечек жидкости служит наружный
корпус (колокол) 3, который в дан-
ной конструкции жестко соединен с
насосным колесом и вращается вмес-
те с ним.
Рабочее пространство круга цир-
куляции гидромуфты представляет
собой замкнутые каналы между ло-
патками насосного и турбинного ко-
лес, которые в процессе работы за-
полнены жидкостью.
184
Жидкость в межлопаточных ка-
налах совершает сложное движе-
ние. Проследим за движением какой-
то частицы (небольшого объема)
жидкости в круге циркуляции. Входя
в насосное колесо Н на радиусе и
частица жидкости движется в ради-
альном направлении под действием
центробежной силы. Одновременно
вместе с колесом частица вращается
с переносной (окружной) скоростью
и1н = лпнГ1/30, где пн — частота вра-
щения насосного колеса, об/мин.
При перемещении частицы жид-
кости от входа на лопатки (ра-
диус Г1) к выходу (радиус г2) она
по инерции стремится сохранить свою
окружную скорость и в новом поло-
жении, но лопатка колеса обладает
в этой точке большей переносной ско-
ростью: и2н = лпнГ2/30. Поэтому ко-
лесо как бы стремится обогнать
частицу и своей лопаткой давит на
нее. Таким образом, частице жид-
кости от лопаток сообщается энер-
гия, которая ускоряет ее и застав-
ляет двигаться со скоростью лопатки
колеса. Аналогичное воздействие
испытывают все частицы жидко-
сти. Следовательно, в насосном ко-
лесе лопатки сообщают рабочей
жидкости кинетическую энергию.
В каналах турбинного колеса жид-
кость, наоборот, движется от пери-
ферии к центру, поэтому в них про-
исходит обратная картина. Здесь
жидкость, перемещаясь к центру, те-
ряет окружную скорость. Поэтому
она давит на лопатки турбинного
колеса, и, отдавая им энергию, за-
ставляет вращаться турбинное ко-
лесо.
Таким образом, происходит замк-
нутое движение жидкости в круге
циркуляции. Необходимым условием
этого движения является наличие
скольжения, т. е. некоторой разности
частот вращения рабочих колес.
Только при этом условии центро-
бежные силы жидкости, находящей-
ся между лопатками насосного ко-
леса, смогут преодолеть центробеж-
ные силы жидкости, заключенной
в каналах турбинного колеса, и все
сопротивления пути циркуляции.
Направление циркуляции показано
стрелками на левой проекции рис. 7.6.
Скольжением гидромуфты s назы-
вается отношение разности частот
вращения насосного (п„) и турбин-
ного (гат) колес к частоте вращения
насосного колеса:
где 1 = Пт/пя — передаточное отношение.
Передача мощности в гидромуфте
осуществляется непосредственно от
насосного колеса к турбинному че-
рез жидкость. Поэтому вращающий
момент на ведомом валу всегда ра-
вен моменту на ведущем валу
(AfT=AfH).
Так как мощность равна произве-
дению момента на частоту вращения,
то вследствие скольжения (т. е. от-
ставания ведомого вала) мощность,
подводимая к гидромуфте, всегда
больше мощности на ведомом валу.
Полный к. п. д. гидромуфты
NT Мтпг пт
Пгм = = 7^- = — = t-
Отсюда следует, что к. п. д. гидро-
муфты при постоянном пЛ возраста-
ет с увеличением частоты вращения
ведомого вала (турбинного колеса).
Характеристика к. п. д. гидромуф-
ты, т. е. его зависимость от переда-
точного отношения i (рис. 7.7, а),
имеет вид прямой линии. Теорети-
чески эта линия должна была бы
придти в точку (i=l, т)Гм= 1). Од-
нако, как мы установили, работа
гидромуфты при s = 0 (пт = пн) не-
возможна. По этой причине, а также
вследствие некоторых неучтенных
потерь характеристика к. п. д. при
«>0,974-0,98 резко обрывается и
при i=l к. п. д. равен нулю (муфта
не передает энергию).
Другой важной характеристикой
гидромуфты является зависимость
передаваемого момента от переда-
точного отношения. Как видно на
рис. 7.7, а, с возрастанием сколь-
жения s (т. е. с уменьшением I) при
постоянном «н абсолютная величина
185
Рис. 7.7. Характеристики:
а — гидромуфты; б — гидротрансформаторов
момента, который может передать
гидромуфта, увеличивается.
Таким образом, гидромуфта мо-
жет служить для передачи энергии
между двумя валами. Она обладает
способностью смягчать ударные на-
грузки и крутильные колебания, воз-
никающие в передаче.
Гидромуфта, связанная с валом
дизеля, допускает его пуск при пол-
ностью заторможенном ведомом
вале.
Обычно гидромуфты работают при
к. п. д. на номинальном режиме
0,96—0,97, что соответствует сколь-
жению 3—4 % (при номинальной
частоте вращения ведущего вала).
При этом они должны передавать
номинальный (расчетный) момент.
Гидротрансформатор (рис. 7.8) в
отличие от гидромуфты, помимо на-
сосного Н и турбинного Т колес, име-
ет неподвижный направляющий ап-
парат (реактор) НА, который, так
Рис. 7.8. Гидротрансформаторы:
а — первого класса; б — второго класса
186
же как и рабочие колеса, состоит
из специально спрофилированных
лопаток.
Направляющий аппарат меняет
направление потока жидкости и обес-
печивает постоянный угол входа
жидкости на лопатки насосного ко-
леса. Таким образом, условия их
обтекания практически не меня-
ются при изменении режима работы
турбинного колеса и это дает возмож-
ность преобразовывать (трансфор-
мировать) момент, передаваемый
гидротрансформатором.
Поскольку момент на любом валу
вообще прямо пропорционален мощ-
ности и обратно пропорционален
частоте вращения, то при постоян-
ной мощности и уменьшении час-
тоты вращения турбинного вала
момент на нем увеличивается (и
наоборот).
Направляющий аппарат в круге
циркуляции гидротрансформатора
конструктивно может быть распо-
ложен или перед насосным колесом
(рис. 7.8, а), или перед турбинным
колесом (рис. 7.8, б). В первом слу-
чае гидротрансформатор относят к
первому классу, во втором — ко вто-
рому. При этом характерно, что
для гидротрансформаторов первого
класса турбинное колесо может вра-
щаться только в направлении враще-
ния насосного колеса, тогда как для
гидротрансформаторов второго клас-
са направление вращения турбинного
колеса может быть любым — в за-
висимости от расположения лопаток
направляющего аппарата.
В обоих случаях назначение на-
правляющего аппарата одинаково —
увеличивать кинетическую энергию
жидкости (динамический напор) за
счет преобразования части статиче-
ского давления путем изменения ско-
рости и направления потока на
неподвижных лопатках вследствие их
реакции. Так как направляющий ап-
парат воспринимает реактивные си-
лы, при изменении режима работы
турбинного колеса на него действу-
ет переменный по величине и знаку
крутящий момент, передающийся
на неподвижный корпус. Знак этого
момента зависит от направления по-
тока на лопатки направляющего
аппарата. Момент турбинного ко-
леса в соответствии с законом со-
хранения энергии равен МТ=МН±
±МНА. На рис. 7.7, б показаны зоны
передаточных отношений с положи-
тельными и отрицательными значе-
ниями момента направляющего ап-
парата. При этом, если направляю-
щий аппарат расположен перед вхо-
дом в турбинное колесо (гидро-
трансформаторы второго класса), то
он увеличивает момент, передавае-
мый турбинному валу, по сравне-
нию с моментом на ведущем валу.
Если направляющий аппарат распо-
ложен перед насосным колесом
(гидротрансформаторы первого
класса), то реактивный момент (мо-
мент на направляющем аппарате)
складывается с моментом, приобре-
таемым жидкостью в насосном коле-
се, что в конечном итоге также
приводит к увеличению момента на
валу турбинного колеса. Таким об-
разом, в обеих схемах осуществля-
ется преобразование момента и ско-
рости вращения ведомого вала при
постоянных моменте и скорости вра-
щения ведущего вала.
Отношение момента турбинного
колеса Мт к моменту насосного ко-
леса AfH называют коэффициентом
трансформации момента: k =
Теоретически при заторможенном
турбинном вале его момент должен
быть бесконечно большим. Однако
из-за значительных потерь на этом
режиме момент будет иметь конеч-
ные значения, но в несколько раз
превышающие момент насосного ко-
леса (при пт = 0 обычно & = 4-4-5).
При увеличении пт коэффициент
трансформации k уменьшается по
характеристике, приведенной на
рис. 7.7, б.
Таким образом, гидротрансформа-
тор может быть использован не толь-
ко для передачи мощности между
двумя нежестко связанными валами,
но и для изменения момента на ве-
домом валу в зависимости от час-
тоты его вращения при постоянной
мощности и частоте вращения вала
двигателя. Такой характер измене-
ния момента в основном соответ-
ствует требуемой тяговой характе-
ристике тепловоза.
К. п. д. гидротрансформатора,
так же как и гидромуфты, представ-
ляет отношение мощности, снимае-
мой с турбинного колеса, к мощности,
затрачиваемой на вращение насос-
ного колеса:
Мтпг
Лгт = 7Г = м п = ki'
* н 4,1Н "и
Передаточное отношение гидро-
трансформатора может изменяться
от нуля до единицы. Однако, как
видно из характеристики (см. рис.
7.7, б), только при одном значе-
нии I, называемом оптимальным (или
расчетным) передаточным отноше-
нием z’p, достигается наивысшее зна-
чение к. п. д. В этом режиме в рабо-
чей полости устанавливается прак-
тически безударная циркуляция жид-
кости с минимальными потерями.
При всяком отклонении режима от
номинального в ту или другую сто-
рону возникают ударные явления при
переходе жидкости с колеса на ко-
лесо. Чем больше отклонение от рас-
четной точки, тем больше ударные
потери и, следовательно, ниже к. п. д.
гидротрансформатора. В точках z = 0
(в начале координат) и fe = 0 (см.
рис. 7.7, б) к. п. д., как это и
187
следует из вышеприведенной форму-
лы, равен нулю.
Качество гидротрансформатора
определяется формой кривой зави-
симости к. п. д. от передаточного
отношения. Чем положе эта кри-
вая в области вершины (у расчет-
ного режима), т. е. чем шире диа-
пазон сравнительно высоких к. п. д.,
тем совершеннее гидротрансформа-
тор. Очевидно, что нецелесообразно
допускать длительную работу гид-
ротрансформатора на малых и вы-
соких передаточных отношениях, т. е.
в тех зонах, где его к. п. д. невелик.
Такие режимы работы при малых
передаточных отношениях гидро-
трансформатора или при малых ско-
ростях тепловоза допустимы лишь
кратковременно.
Если у гидротрансформатора мо-
мент насосного колеса не зависит от
момента и частоты вращения турбин-
ного колеса, изменения внешней на-
грузки не влияют на нагрузку дизе-
ля. Момент Мн остается постоян-
ным во всем диапазоне изменения
AfT. Такая характеристика условно
называется «непрозрачной» (см.
рис. 7.7, б, сплошные линии). В
этом случае и сам гидротрансформа-
тор тоже называется «непрозрач-
ным».
«Прозрачным» называют гидро-
трансформатор, у которого момент
насосного колеса меняется с изме-
нением частоты вращения турбин-
ного колеса (см. рис. 7.7, б, пунктир-
ные и штрихпунктирные линии).
Большинство тепловозных гидро-
трансформаторов имеют некоторую
«прозрачность» характеристики, что
требует согласования характерис-
тики дизеля и гидропередачи.
Конструкции гидравлических пе-
редач. Как видно из характеристик,
ни гидромуфта, ни гидротрансфор-
матор не могут в отдельности обес-
печить более или менее существен-
ный диапазон экономичного регули-
рования скорости и, стало быть,
каждый из аппаратов не может в
отдельности служить передачей для
тепловоза. Однако использование в
188
гидропередаче двух аппаратов зна-
чительно расширяет возможную об-
ласть экономичной работы, при ко-
торой к. п. д. передачи оказывается
выше заранее заданного минималь-
но допустимого значения к. п. д.
т|3ад- На рис. 7.9 показано, что при
использовании в передаче гидро-
трансформатора и гидромуфты диа-
пазон передаточных отношений, в
котором к. п. д. я выше задан-
ного Язад, шире, чем соответствую-
щий диапазон для каждого аппара-
та в отдельности. Поэтому гидропе-
редачи тепловозов обычно состоят
не менее чем из двух (чаще всего
трех) гидроаппаратов (гидротранс-
форматоров и гидромуфт), т. е. вы-
полняются двух- или трехциркуля-
ционными.
Возможны следующие сочетания
гидроаппаратов в трехциркуляцион-
ной передаче: гидротрансформатор
и две гидромуфты; два гидротранс-
форматора и гидромуфта; три гидро-
трансформатора. В случае примене-
ния двух гидротрансформаторов
один из них рассчитывают на работу
при трогании с места и на малых
скоростях движения, когда требуется
высокая трансформация момента.
Его называют пусковым. Второй
гидротрансформатор, который ис-
пользуется при движении со средни-
ми и высокими скоростями, называют
маршевым.
В тепловозных передачах в каче-
стве пусковых гидроаппаратов иног-
да применяют многоступенчатые гид-
ротрансформаторы, имеющие по две
и более турбинных ступеней и на-
правляющих аппаратов. В этих аппа-
ратах создаваемый насосным коле-
сом напор реализуется не на одной
ступени турбины, а равномерно
распределяется по нескольким тур-
бинным колесам (ступеням). Такие
гидротрансформаторы, как правило,
рассчитываются на пониженные пе-
редаточные отношения (г = 0,3 4-
4-0,45) и характеризуются больши-
ми коэффициентами трансформации
момента k при стоповом режиме
(/=0).
Рабочие жидкости для гидроаппара-
тов. В качестве рабочих жидкостей могут
быть использованы вода или масло. Вода
используется в крупных стационарных пе-
редачах. Для передач транспортных ма-
шин, в том числе и тепловозов, наиболее
выгодной жидкостью является масло, хотя
из-за его меньшего удельного веса габа-
риты передач несколько увеличиваются.
Масло как рабочая жидкость обладает сле-
дующими преимуществами: использование
масла обеспечивает одновременно и смазку
всех трущихся частей, тогда как при работе
на воде требуется создание специальной сма-
зочной системы; температура испарения
масла выше, чем воды; температура затвер-
девания масла ниже, чем воды, что умень-
шает опасность замерзания передачи при
низких температурах. С другой стороны,
так как теплоемкость масла примерно
вдвое меньше, чем воды, возникает необхо-
димость создания специальной системы для
внешнего охлаждения циркулирующего в
передаче масла.
В гидропередачах используют минераль-
ные масла и их смеси, отвечающие целому
ряду специальных требований.
Для тепловозных гидропередач обычно
применяется специальное масло ГТ50, со-
держащее присадки против вспенивания
и окисления. Также применяется масло
«Турбинное 22» с добавкой антипенной при-
садки ПМС200А. Могут применяться и не-
которые другие сорта масел.
Устройство трехциркуляциониой гидропе-
редачи. Рассмотрим устройство унифициро-
ванной гидропередачи УГП750, УГП1200,
примененной на нескольких сериях теплово-
зов (в частности, ТГМЗ) в модификациях
УГП750, УГП1000 и УГП1200.
Передача (рис. 7.10) состоит из двух
одинаковых гидротрансформаторов 6 и 7
и одной гидромуфты 4. (В передаче тепловоза
ТГМЗБ гидромуфты нет.) Насосные колеса
всех гидроаппаратов сидят на одном валу,
который приводится во вращение от вход-
ного вала 1 через повышающую зубчатую
пару 3—2. При трогании тепловоза с места
включается пусковой гидротрансформатор 7,
турбинное колесо которого через зубчатую
пару 8—9 вращает вал 10. При средних
скоростях движения включен гидротранс-
форматор 6, при высоких — гидромуфта 4.
В обоих случаях вал 10 приводится через
зубчатую передачу 5—11.
Переключения ступеней производятся
путем поочередного опорожнения и запол-
нения отдельных гидроаппаратов. Для пе-
редачи вращения от вала 10 на выходной
вал служит реверсивный двухрежимный ре-
дуктор. (Модификация УГП1000 не имеет
режимного устройства.) Реверсирование пе-
редачи осуществляется переключением ку-
лачковых муфт 20 (передний ход) и 14
(задний ход). Поездной режим передачи
обеспечивается перемещением влево кулач-
ковых муфт 20 (для движения вперед) и 14
Рис. 7.9. Совмещенная характеристика к. п. д.
гидротрансформатора т]гт и гидромуфты т)Гм
(для движения назад). Перемещение муфт
20 и 14 вправо обеспечивает маневровый
режим передачи.
Таким образом, выходной вал передачи
18 может получить вращение от вала 10
следующими различными путями:
через шестерни 19 и 17 (включена муфта
20 влево) — поездной режим, движение
вперед;
через шестерни 21 и 16 (включена муф-
та 20 вправо) — маневровый режим, дви-
жение вперед;
через шестерни 11 и 12 (они находятся
в постоянном зацеплении. На рис. 7.10 эта
связь показана пунктирными линиями), 15
и 17 (включена муфта 14 влево) — по-
ездной режим, движение назад;
15 19 13
Рис. 7.10. Кинематическая схема унифициро-
ванной тепловозной гидропередачи УГП750,
1200
189
через шестерни 11, 12, 13 и 16 (включена
муфта 14 вправо) — маневровый режим,
движение назад.
Приспособление унифицированной гидро-
передачи к конкретному дизелю по частоте
вращения осуществляется подбором нуж-
ного передаточного отношения зубчатой
пары 2—3, а изменение скоростного диа-
пазона тепловоза — сменой шестерен ре-
версивного редуктора.
На базе конструкции гидропередачи
УГП750 разработаны ее модификации УГП820
(для тепловоза ТГ16) и УГП1200 (для
ТГМ5 и ТГМ6).
Управление гидравлическими передачами
сводится к переключению режимов передачи
в зависимости от изменения условий ее ра-
боты и осуществляется автоматически спе-
циальной системой. Система автоматического
управления переключением ступеней ско-
рости (САУ) может быть однокоординатной
(переключения производятся в зависимости
от изменения одной координаты — скорости
движения тепловоза) или двухкоординатной'
(моменты переключения связываются и с
изменением второй координаты — частоты
вращения вала дизеля). В первом случае
наивыгоднейшая тяговая характеристика теп-
ловоза достигается лишь на номинальном
режиме работы дизеля, во втором — на всех
режимах.
Любая САУ состоит из измерительных
устройств — датчиков скорости, которые
могут быть механическими (центробежный
регулятор) или электрическими (тахогенера-
тор, переменное сопротивление), и исполни-
тельных органов, осуществляющих переклю-
чение гидроаппаратов.
Гидропередача УГП750 имеет двухкоор-
динатную электрогидравлическую САУ. Ее
электрическая часть является измерительной
и состоит из датчика скорости тепловоза—
тахогенератора трехфазного переменного то-
ка, кинематически связанного с выходным
валом передачи,— и двух корректирующих
реостатов, движки которых связаны с руко-
яткой контроллера машиниста. Эти реоста-
ты играют роль датчиков скорости вращения
вала дизеля.
Рис. 7.11. Принципиальная гидравлическая
схема системы автоматического управления
унифицированной гидропередачи
190
На часть напряжения тахогенератора,
скорректированную реостатами, включены
реле скорости, управляющие электрогидрав-
лическими вентилями 8, 9, 14 гидравлической
части САУ (рис. 7.11). Последние, в свою
очередь, управляют распределительным
устройством 16, осуществляющим питание
гидроаппаратов передачи. Оно состоит из
трехпозиционного 17 и двухпозиционного 19
золотников, соединенных каналами 18 и 22.
Рассмотрим работу САУ. На схеме рис.
7.11 система показана в нейтральном поло-
жении. Дизель Д работает, приводя во вра-
щение вал насосных колес гидроаппаратов,
однако гидропередача отключена, так как
гидротрансформаторы и гидромуфта опорож-
нены. Сливной трубопровод 24 гидротранс-
форматора ГТ1 через золотники 17 и 19
сообщен со сливным трубопроводом 20, ве-
дущим в картер гидропередачи 1 (на схеме
длина сливных трубопроводов 11, 12, 15, 20
условно сокращена). Сливной трубопровод
25 трансформатора ГТН соединен с картером
через золотник 19 и трубопровод 20. Гидро-
муфта ГМ опоражнивается непосредственно
в картер через три нормально открытых кла-
пана (на схеме слив показан условно тру-
бопроводом 27).
Электрическая часть схемы обесточена,
так как тепловоз неподвижен. Питательный
насос 3 приводится во вращение дизелем
и засасывает масло из картера по трубо-
проводу 2, однако его нагнетательные
трубопроводы перекрыты: 6 — золотником
17, а 5 — вентилями 8, 9 и 14. Последние в
обесточенном положении сообщают полости
под поршнями золотников 17 и 19 через тру-
бопроводы 7, 10, 13 и 11, 12, 15 с картером.
Первый (пусковой) гидротрансформатор
ГТ1 используется для трогания с места
и разгона (на тепловозе ТГМЗА до скоро-
сти 13,2 км/ч на маневровом режиме или
27 км/ч на поездном). Для включения пе-
редачи в электрической схеме замыкается
цепь питания катушки вентиля 8, включение
которого приводит к подаче масла от на-
соса 3 по трубопроводам 4, 5 и 7 в левую
полость золотника 17. (Включенное поло-
жение вентиля 8 можно представить, если
мысленно переместить верхний Квадратик
его условного изображения на схеме на мес-
то нижнего, к которому подходят непод-
вижные трубопроводы 5, 7 и 11. При этом,
как показывает стрелка, будут сообщены
трубопроводы 5 и 7. Сливной трубопровод
11 будет отключен.)
Под действием давления масла на пор-
шень золотник 17 переместится из ней-
трального среднего в правое положение. Мас-
ло из правой полости будет вытесняться при
движении золотника по трубопроводу 10
через вентиль 9 н трубопровод 12 в картер.
(Включенное положение золотника 17 можно
представить, если поместить правый квадрат
его условного изображения на место сред-
него.) Трубопровод 4 от насоса будет через
трубопровод 6 и золотник 17 сообщен с трубо-
проводом 23 наполнения ГТ1. Трубопровод
24 слива из ГТ! будет перекрыт. Наполнение
ГТ! приведет к троганию с места и раз-
гону тепловоза.
Второй гидротрансформатор ГТП исполь-
зуется для движения со средними скоростями
(на ТГМЗА соответственно 13,2—26,8 или
27— 55 км/ч). Это основной рабочий режим
передачи. Переход на ГТП происходит после
замыкания в электрической схеме цепей ка-
тушек вентилей 9 и 14 и размыкания цепи ка-
тушки вентиля 8. Включение вентилей 9 и 14
приводит к подаче масла от насоса по трубо-
проводам 10 и 13 в правые полости золотни-
ков 17 и 19. Золотники перемещаются влево
(на схеме левые квадраты их изображений
надо перенести к неподвижным трубопрово-
дам), обеспечивая: а) линию питания
ГТП — трубопроводы 4 и 6, золотник 17,
канал 22, золотник 19, трубопровод 21; б) ли-
нию слива из ГТ! — трубопровод 24, золот-
ник 17, канал 18, золотник 19, трубопровод 20.
Золотник 19 одновременно перекрывает тру-
бопровод 25 слива из ГТП.
Разрыв цепи катушки вентиля 8 вызы-
вает перемещение вентиля под действием
пружины в прежнее, нейтральное, положе-
ние. При этом обеспечивается линия слива
из левой полости золотника 17 по трубопро-
водам 7 и 11.
Гидромуфта служит для работы на ско-
ростях выше указанных пределов. Переход
на нее осуществляется при отключении
вентиля 14 (вентиль 9 остается включен-
ным). Вентиль 14 в обесточенном положении
создает линию слива на правой полости зо-
лотника 19. Последний под действием пру-
жины перемещается, вытесняя масло, в перво-
начальное положение. Это приводит к сле-
дующим переключениям: а) создается линия
питания ГМ — трубопровод 6, золотник 19,
трубопроводы 26 и 27; б) обеспечивается
слив из ГТП—трубопровод 25, золотник 17,
трубопровод 20; е) сохраняется слив из
ГТ! — трубопровод 24, золотник 17, канал
18, золотник 19, трубопровод 20.
Обратные переходы в гидропередаче —
при снижении скорости движения — осуще-
ствляются в противоположном порядке.
Гидрореверсивиые передачи. Одним из
путей повышения производительности манев-
ровых тепловозов является использование
наряду с тяговыми режимами работы гидро-
трансформаторов так называемых тормозных
режимов, или режимов противовращения,
когда направление вращения турбинного
колеса изменяется на противоположное по
сравнению с направлением вращения в ре-
жиме тяги. Исследование этого принципа
привело к созданию гидрореверсивных пе-
редач, способных развивать тормозные
моменты, приложенные к колесам движу-
щегося локомотива, путем слива жидко-
сти из гидротрансформатора, предназначен-
ного для переднего хода тепловоза и напол-
нения гидротрансформатора для обрат-
ного хода.
Турбинное колесо в последнем случае
находится в тормозном режиме противо-
вращения, что обеспечивает интенсивное тор-
можение локомотива и плавный переход
без его остановки к движению в обратном
направлении в режиме тяги.
Гидрореверсивиые передачи строят с од-
ним или двумя гидротрансформаторами для
каждого направления движения, при этом
в механической части передачи находится либо
четное, либо нечетное число шестерен. Гид-
рореверсивные передачи имеют систему регу-
лирования тормозной мощности во всем рабо-
чем диапазоне скоростей путем изменения
количества жидкости в гидроаппаратах или
посредством поворота лопаток в направляю-
щем аппарате.
Работы по применению гидрореверсивных
передач для маневрово-промышленных теп-
ловозов мощностью до 1000 л. с. проводятся
в СССР и за рубежом.
7.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
На тепловозах применяют электри-
ческие передачи трех видов. Переда-
ча постоянного тока (рис. 7.12), в ко-
торой и тяговый генератор Г, и тяго-
вые двигатели ЭД выполнены в виде
машин постоянного тока. Такие пе-
редачи наиболее просты, не имеют
промежуточных звеньев, обладают
высокими к. п. д. и регулировоч-
ными качествами. Однако при росте
секционной мощности тепловозов
снижается надежность тяговых гене-
раторов. Поэтому такие передачи
применяются только при секционной
мощности до 2210 кВт (тепловозы
ТЭ1, ТЭ2, ТЭМ2, ТЭЗ, ТЭ10 и др.).
Передача переменно-постоянного то-
ка (рис. 7.13), в которой тяговый
генератор Г выполнен в виде син-
хронного генератора переменного
тока, а тяговые двигатели ЭД—по-
стоянного тока. Для преобразования
переменного тока в постоянный меж-
ду генератором и двигателями вклю-
чена выпрямительная установка ВУ,
в связи с чем несколько снижается
ф ф ф
Рис. 7.12. Схема передачи постоянного
тока
191
Рис. 7.13. Схема передачи переменно-
постоянного тока
общий к. п. д. передачи. Однако в
эксплуатации это снижение эконо-
мичности компенсируется снижением
эксплуатационных расходов за счет
большой надежности тягового син-
хронного генератора. Такие пе-
редачи применяются на тепловозах
с секционной мощностью 1470—
4400 кВт (тепловозы ТЭМ7, ТЭ116,
ТЭП70 и др.).
При дальнейшем увеличении мощ-
ности лимитирующим становится тя-
говый электродвигатель. Поэтому в
перспективе намечается применение
передач переменного тока (рис.
7.14), в которых и тяговые двигатели
выполнены в виде машин перемен-
ного тока. Для нормальной работы
таких двигателей требуется одновре-
менное регулирование напряжения
и частоты переменного тока. Поэ-
тому между генератором и двигате-
лями включается преобразователь
частоты ПЧ. Такие передачи будут
установлены на тепловозах мощ-
ностью 4400 кВт в секции и более.
Применение электрической пере-
дачи на тепловозах исключает жест-
кую связь между коленчатым валом
дизеля и колесными парами. При
постоянной частоте вращения колен-
чатого вала дизеля и установившей-
ся скорости тепловоза частота вра-
щения п якоря тягового двигателя
постоянного тока определяется на-
пряжением U, подведенным к нему,
Рис. 7.14. Схема передачи переменного
тока
и магнитным потоком Ф и не зависит
от частоты вращения вала дизеля:
где /я и /?я — ток и сопротивление в
цепи якоря; се — постоянный коэффи-
циент.
Наиболее важным требованием,
предъявляемым к силовой установке
локомотива, является использование
ее полной мощности в возможно
большем диапазоне скоростей дви-
жения. Это требование частично вы-
полняется за счет естественных ха-
рактеристик тяговых электрических
машин. Для полного использования
мощности на тепловозах применяют
специальные системы регулирования
как тяговых генераторов, так и тя-
говых электродвигателей.
Системы регулирования тяговых
генераторов тепловозов. Мощность
дизеля, который является одним
из основных элементов силовой ус-
тановки тепловоза,
Nt
М = —+ Men.
где Nr и т)г — мощность и к. п. д. тягового
генератора; /Увсп — мощность, расходуе-
мая на привод вспомогательных механиз-
мов (вентиляторы холодильника и тяго-
вых двигателей, насосы и т. д.).
При постоянной частоте вращения
коленчатого вала дизеля можно
принять Men И Т]г ПОСТОЯННЫМИ.
Тогда
М=(М— Мсп)Пг= м Л = const.
Эта характеристика (рис. 7.15),
так называемая внешняя характе-
ристика тягового генератора, должна
иметь ограничения по максимально-
му напряжению Urmail и току 7rmax тя-
гового генератора.
Наибольшее распространение по-
лучили генераторы постоянного то-
ка. Как известно, ии один из гене-
раторов постоянного тока с незави-
симым, параллельным, последова-
тельным или смешанным возбужде-
нием не имеет такой внешней харак-
192
теристики. Синхронные генераторы
переменного тока имеют хотя и па-
дающую, но далекую от требуемой
внешнюю характеристику. Поэтому
на тепловозах применяют генераторы
со специальной системой возбужде-
ния (рис. 7.16). На вход системы
возбуждения СВ вводят сигналы по
току 1Г и напряжению Ur тягового
генератора Г. Напряжение UB, выра-
батываемое системой возбуждения,
подведено к обмотке ОВГ возбуж-
дения тягового генератора. В ре-
зультате обеспечивается изменение
магнитного потока Фг и напряжения
Ut тягового генератора по тре-
буемому закону.
При движении тепловоза с поездом
часто не требуется использование
полной мощности дизеля (при малой
массе поезда, движению по легкому
профилю или с ограничением скоро-
сти и др.). Уменьшение мощности
дизеля достигается изменением час-
тоты вращения лд его коленчатого
вала, причем каждому значению пд
соответствует определенная мощ-
ность, при которой к. п. д. дизеля
будет максимальным. Поэтому систе-
ма возбуждения тягового генера-
тора должна обеспечить при частич-
ных нагрузках постоянство мощно-
сти генератора на уровнях, соот-
ветствующих экономичным режи-
мам работы дизеля (см. рис. 7.15).
Для изменения мощности тягового
генератора при изменении частоты
вращения коленчатого вала пд, а
значит, и мощности дизеля Д на вход
системы возбуждения вводят сигнал
по пд. В результате на выходе си-
стемы возбуждения, а следователь-
но, и на выходе тягового генератора
Рис. 7.15. Характеристики тягового ге-
нератора тепловоза
получается семейство характеристик
(см. рис. 7.15).
В рассмотренной системе предпо-
лагалось, что мощность тягового
генератора стабильна и равна мощ-
ности дизеля. В действительности,
даже при постоянной частоте вра-
щения коленчатого вала изменяется
как мощность дизеля, так и мощ-
ность тягового генератора. Мощ-
ность дизеля зависит от атмосфер-
ных условий (давления и темпера-
туры воздуха). Кроме того, может
меняться и мощность, расходуемая
на привод вспомогательных механиз-
мов (вентилятор холодильника и
компрессор тормозной системы могут
быть включены или выключены и
т. д.). В результате изменяется и
мощность, передаваемая тяговому
генератору, так называемая свобод-
ная мощность дизеля. Мощность тя-
гового генератора также может
изменяться в зависимости от темпе-
ратуры обмотки ОВГ, влияния ги-
стерезиса и других факторов. В то
же время, как указывалось выше,
необходимо выдержать условие Ne —
= const. Поэтому на вход системы
возбуждения СВ вводят еще один
Д
Рис. 7.16. Функциональная схема возбуждения тягового генератора тепловоза
7 Зак. 443 1 93
Рис. 7.17. Система возбуждения тягового ге-
нератора тепловоза ТЭЗ
сигнал X, пропорциональный свобод-
ной мощности дизеля. Реагируя на
этот сигнал, система возбуждения
обеспечивает непрерывное поддер-
жание равенства.
Таким образом, звеном, регули-
рующим работу тягового генера-
тора, является система возбужде-
ния СВ. Возможны два основных
принципа построения системы воз-
буждения, в которых требуемые ха-
рактеристики обеспечиваются: кон-
струкцией магнитной системы и схе-
мой возбуждения специальной маши-
ны — возбудителя В тягового гене-
ратора; подбором параметров и схе-
мой включения различных аппаратов
(применяемые машины имеют обыч-
ное исполнение). Возможны системы,
в которых сочетаются оба принципа.
К первому принципу, например, от-
носится система возбуждения тепло-
воза ТЭЗ, а ко второму — теплово-
зов ТЭ10, ТЭ ЮЛ и ТЭП60.
Система возбуждения тягового ге-
нератора тепловоза ТЭЗ. Обмотка
возбуждения ОВГ (рис. 7.17) тяго-
вого генератора Г получает пита-
Рис. 7.18. Возбудитель тягового генера-
тора тепловоза ТЭЗ
194
ние от генератора постоянного тока—
возбудителя В. Магнитная система
возбудителя В состоит из шести
полюсов: ненасыщенных 1—4 (рис.
7.18, а) и насыщенных 5 и 6. На
ненасыщенных полюсах расположе-
ны независимая Н (см. рис. 7.17),
регулировочная Р и ограничительная
О обмотки, а на насыщенных — па-
раллельная П и дифференциаль-
ная Д. Так как якорь возбудителя
имеет волновую обмотку, то элект-
родвижущие силы (э. д. с.), наводи-
мые в обмотке якоря каждой группой
полюсов, складываются.
Обмотка независимого возбужде-
ния Н включена на постоянное на-
пряжение вспомогательного генера-
тора ВГ, и создаваемая ею э. д. с.
£i (рис. 7.18, б) не зависит от тока
/г тягового генератора Г (см.
рис. 7.17). Параллельная обмотка П
включена на напряжение возбудите-
ля В. Дифференциальная обмотка
Д включена параллельно обмотке
ДП добавочных полюсов тягового
генератора, поэтому ток в обмотке Д
пропорционален току /г. Магнитодви-
жущие силы (м. д. с.) параллельной
£п и дифференциальной £д обмо-
ток направлены навстречу друг дру-
гу. (На рис. 7.17 стрелками показаны
направления м. д. с. отдельных обмо-
ток.) В результате зависимость
э. д. с. £г (см. рис. 7.18, б), созда-
ваемой насыщенными полюсами, от
тока /г имеет четыре участка:
1—2, где ток тягового генератора,
а следовательно, и м. д. с. диффе-
ренциальной обмотки Д невелики;
сердечник полюса насыщен под дей-
ствием параллельной обмотки П и
£2 мало зависит от 1Г;
2—3 — сердечник полюса не на-
сыщен и £2 примерно обратно про-
порциональна /г; при этом м. д. с.
обмотки П больше м. д. с. обмотки
Д (£п>£д);
3—4 — сердечник полюса не на-
сыщен, но £п<£д, и поэтому э. д. с.
£2 меняет свой знак;
4—5 — сердечник полюса опять
насыщен, но уже под действием
м. д. с. дифференциальной обмотки.
Электродвижущая сила возбуди-
теля £в = £1+£г (кривая Г—2'—
3'—5'). На участке 1'—2' обеспе-
чивается примерно постоянное зна-
чение £в и тока возбуждения гене-
ратора
где 7?овг — сопротивление обмотки ОВГ.
Напряжение тягового генератора
£г — Се Фг — 7иг»
где пд — частота вращения якоря ге-
нератора (принята постоянной); Фг —
магнитный поток тягового генератора;
с’е, с" — постоянные коэффициенты.
Следовательно, при /„г — const на-
пряжение тягового генератора £г —
~ const, т. е. в интервале токов 0—7гг
обеспечивается ограничение напря-
жения тягового генератора за счет
насыщения полюсов 5 и 6 возбу-
дителя.
На участке 2'—4' кривой £в на-
пряжение возбудителя изменяется
примерно обратно пропорционально
току тягового генератора, т. е. в
интервале токов 7гг—/Г4 внешняя ха-
рактеристика генератора будет при-
мерно гиперболической.
Таким образом, за счет конструк-
ции магнитной системы возбудителя
В обеспечиваются два участка внеш-
ней характеристики тягового гене-
ратора — ограничение по напряже-
нию (участок Г—2') и ограничение
по мощности (участок 2'—4'). Для
ограничения максимального тока тя-
гового генератора применена спе-
циальная схема, включающая в себя
ограничительную обмотку О (см.
рис. 7.17) возбудителя, расположен-
ную на его ненасыщенных полюсах,
тахогенератор Т2 и диод Д2. Из
схемы следует, что ток в обмотке О
7д,(Л0,1 + Л6в2) +/ГЛЛ„ — 1/т2
'°" Яо
или,, заменяя 7дв = Д/Г1 получим
; 1 Яов1 Ч"^ОВ2 + ^/?ДП у Ut2
k Ro /г Я?
или
/о — б* 17 г С 2 U т2,
где /дВ — ток тяговых двигателей 1
и 2; Яов1 и Яов2 — сопротивления обмо-
ток ОВ1 и ОВ2 возбуждения тяговых
двигателей 1 и 2; 7?дп — сопротивление
обмотки ДП добавочных полюсов тя-
гового генератора; Ro — сопротивление
ограничительной обмотки О возбудителя;
£т2 — напряжение специальной маши-
ны постоянного тока — тахогенератора
Т2; Ci и С2— постоянные, значения ко-
торых ясны из выражений; k — число
параллельных групп тяговых двигателей.
Из уравнения следует, что на-
правление тока в ограничительной
обмотке определяется значениями
7г И £т2.
Однако при
С21Д2>СДГ (7.1)
ток в обмотке О проходить не может,
так как этому препятствует диод
Д2. При увеличении 7Г меняется знак
неравенства и по обмотке О проходит
ток. Магнитодвижущая сила этой об-
мотки направлена навстречу магни-
тодвижущей силе обмотки Н. В ре-
зультате уменьшается напряжение
возбудителя, а следовательно, и
напряжение тягового генератора.
Параметры элементов схемы рассчи-
тывают так, чтобы напряжение 7/г
резко уменьшалось при незначи-
тельном увеличении тока 7Г, в резуль-
тате чего ограничивается ток тяго-
вого генератора.
Так как якорь тахогенератора Т2
связан с коленчатым валом дизеля,
то напряжение £Т2 пропорционально
Пд и ток 7Г, при котором начнется
снижение напряжения тягового гене-
ратора, также пропорционален пд.
Благодаря этому обеспечивается
плавное нарастание максимального
тока, а следовательно, и силы тяги
тяговых двигателей по мере увели-
чения частоты вращения вала ди-
зеля.
Якоря возбудителя В и тягового
генератора Г приводятся от колен-
7*
195
чатого вала дизеля, поэтому их
напряжения пропорциональны па.
Тем самым изменяется мощность
генератора в зависимости от
на частичных нагрузках.
Таким образом, в результате взаи-
модействия обмоток Н, П, Д и О
и специальной конструкции сердеч-
ников насыщенных полюсов возбу-
дителя В обеспечивается гиперболи-
ческая внешняя характеристика тя-
гового генератора Г с ограничениями
по максимальному напряжению и
току. Однако в таком виде схема
имеет существенный недостаток:
мощность тягового генератора может
быть не равна свободной мощности
дизеля. Чтобы исключить этот недо-
статок, в схему введены регулиро-
вочная обмотка Р, тахогенератор Т1
и диод Д1 — так называемый узел
автоматического регулирования
мощности (АРМ).
При увеличении нагрузки на ди-
зель его регулятор частоты враще-
ния увеличивает подачу топлива,
а значит, и мощность дизеля, под-
держивая постоянной частоту вра-
щения коленчатого вала. Однако
подача топлива и мощность дизеля
ограничены некоторым максималь-
ным значением. При дальнейшем
увеличении нагрузки регулятор уже
не может увеличивать подачу топли-
ва (рейки топливных насосов нахо-
дятся в положении «на упоре»), и
частота вращения коленчатого вала
начинает уменьшаться («просадка
оборотов»). В этом случае при
уменьшении нагрузки подача топли-
ва не будет уменьшаться до тех
пор, пока не восстановится задан-
ная частота вращения коленчатого
вала дизеля. На этом свойстве си-
стемы регулирования подачи топлива
дизеля и основана работа узла
АРМ.
Магнитодвижущая сила регулиро-
вочной обмотки Р направлена со-
гласно с м. д. с. независимой об-
мотки Н, и поэтому увеличение тока
в ней приводит к увеличению мощ-
ности тягового генератора. При всех
включенных вспомогательных на-
196
грузках и холодной обмотке ОВГ
возбуждения тягового генератора пу-
тем изменения напряжения тахогене-
ратора Т1 устанавливают такое зна-
чение тока в регулировочной обмот-
ке Р, т. е. и мощности тягового
генератора, чтобы «просадка оборо-
тов» составила 25—30 1/мин. Если
нагрузка на дизель по какой-либо
причине уменьшается, то увеличи-
вается частота вращения его вала
и напряжение тахогенератора Т1,
связанного с дизелем. Соответствен-
но возрастают ток в регулировоч-
ной обмотке и мощность тягового
генератора. При увеличении нагруз-
ки происходит обратный процесс.
Таким образом, описанная си-
стема регулирования обеспечивает
выполнение основных требований,
предъявляемых к системам воз-
буждения тягового генератора теп-
ловозов. Однако она имеет и ряд
существенных недостатков.
Во-первых, узел АРМ может ра-
ботать только при максимальной
частоте вращения вала дизеля. Дей-
ствительно, ток в регулировочной
обмотке
где U-rt и UBT — напряжение тахоге-
нератора Т1 и вспомогательного гене-
ратора ВГ; Rp — сопротивление регу-
лировочной обмотки.
Как уже указывалось, t/Ti про-
порционально пд, a UBr = const во
всем диапазоне рабочей частоты
коленчатого вала дизеля. Но при
UBl> UTi ток в обмотке Р прохо-
дить не должен, так как в этом случае
увеличение гр привело бы уже не
к увеличению, а к уменьшению мощ-
ности тягового генератора. Чтобы
исключить такую возможность, в
схему введен диод Д1. Поэтому узел
АРМ работает только при макси-
мальном значении t/T) и пд.
Во-вторых, как уже указывалось,
напряжение тягового генератора, а
следовательно, и его мощность про-
порциональны нд и (JB. В свою оче-
редь, = Следовательно, при
уменьшении частоты вращения ко-
ленчатого вала дизеля мощность
тягового генератора уменьшается
быстрее, чем мощность дизеля, и не
соответствует экономическим режи-
мам дизеля на частичных нагрузках.
В-третьих, максимальный ток тяго-
вого генератора, ограничиваемый си-
стемой регулирования, зависит от
температуры обмоток OBI, ОВ2 и
ДП (см. рис. 7.17). Действительно,
в постоянную Ci в формуле (7.1)
ВХОДЯТ Сопротивления /?Ов1, Rob2 и
/?д„, зависящие от температуры этих
обмоток. Следовательно, если в экс-
плуатации температура обмотки ДП,
например, возрастает, то ограни-
чение будет наступать при меньших
значениях тока тягового генератора
и наоборот.
Система возбуждения тягового
генератора тепловоза типа ТЭ10.
Обмотка возбуждения НГ (рис. 7.19)
тягового генератора Г получает пи-
тание от возбудителя В — генерато-
ра постоянного тока. На главных
полюсах возбудителя расположены
две обмотки: независимая НВ и
размагничивающая РВ. Первая под-
ключена к магнитному усилителю
МУ, а вторая—к вспомогательному
генератору. Магнитодвижущие силы
обмоток НВ и РВ направлены встреч-
но. Магнитный усилитель МУ выпол-
нен по схеме с внутренней обратной
связью, имеет две рабочие обмотки
ОР1 и ОР2 и четыре обмотки уп-
равления:
обмотку управления ОУ, подклю-
ченную к селективному узлу СУ;
задающую 03, подключенную к
бесконтактному тахометрическому
устройству БТУ, напряжение на вы-
ходе которого пропорционально
частоте вращения коленчатого вала;
регулировочную ОР, включенную
последовательно с обмоткой датчи-
ка ИД регулятора частоты враще-
ния вала дизеля (РЧВ);
стабилизирующую ОС, подключен-
ную к вторичной обмотке стабили-
зирующего трансформатора СТ.
Селективный узел СУ состоит из
двух измерительных трансформато-
ров (постоянного тока ТПТ и посто-
янного напряжения ТПН), выпрями-
тельных мостов В2 и ВЗ и балласт-
ных резисторов СБТТ и СБТН. Маг-
нитный усилитель МУ, трансфор-
маторы ТПТ и ТПН и индуктивный
датчик ИД питаются от синхрон-
ного генератора СПВ через распре-
делительный трансформатор.
Рис. 7.19. Система возбуждения тягового генератора тепловоза ТЭК)
197
Связь по току /г тягового гене-
ратора в рассматриваемой схеме
осуществляется через селективный
узел. Трансформаторы постоянного
тока ТПТ и постоянного напряже-
ния ТПН представляют собой маг-
нитные усилители, выполненные так,
что ток ТПТ пропорционален току
тягового генератора, а ток ТПН —
напряжению тягового генератора,
независимо от напряжения и час-
тоты источника питания. Обмоткой
управления ТПТ служат силовые
кабели, проходящие через окно его
сердечника, а ТПН имеет специаль-
ную обмотку управления ОУТН,
включенную через добавочный резис-
тор СУТН на напряжение гене-
ратора.
Рассмотрим принцип работы се-
лективного узла. Предположим, что
в какой-то момент времени имело
место равновесие в схеме на рис.
7.20, а (мосты В2 и ВЗ, показанные
на рис. 7.19, заменены вентилями
В2 и ВЗ), т. е.
4у — Zyн ZyT j
1бтИбт == ^"бн^?бн == ZyZ?y,
где Ry, Rfr и R6h — сопротивления со-
ответственно обмотки управления маг-
нитного усилителя и балластных резис-
торов СБТТ и СБТН', iy — ток в обмотке
управления; ZyT и zyH — составляющие
тока iy соответственно от трансформа-
торов ТПТ и ТПН\ «бт и 1бн — токи в бал-
ластных резисторах.
При увеличении тока /г тягового
генератора растет ток трансформа-
тора ТПТ и его составляющая tyT.
Соответственно увеличивается и ток
управления ty. Магнитодвижущая
сила обмотки управления направлена
так, что при увеличении тока в ней
напряжение на выходе магнитного
усилителя уменьшается. Соответ-
ственно снижается и напряжение
Ur тягового генератора, а с ним и
токи 1н трансформатора ТПН и iy„.
В результате при увеличении тока
тягового генератора напряжение
его уменьшается практически по ли-
нейному закону (участок БВ на
рис. 7.20, б), а ток в обмотке управ-
ления магнитного усилителя оста-
ется почти постоянным.
Покажем это аналитически. В со-
ответствии с обозначениями на рис.
7.20, а можно написать:
Z? = Zot 4- Zyj; ZH = Z6H + ZyH. (7.2)
Исключая из уравнений (7.2) ве-
личины 1т, /н, /йн, 1бт, /ут и ZyH и учиты-
вая, что
Z? “ ZH==&HZ/r,
получим
^-}iy=kJr+ktiUr,
^бн/
(7-3)
где kT и kH — постоянные коэффициенты.
Уравнение (7.3) можно записать
в виде
kT
Z/r &у Zy т Zr,
кн
где
1 / Z?v R„ \
ky = ^(l + (7'4)
Из уравнения (7.4) следует, что
если iy изменяется незначительно,
то при увеличении тока генератора
Рис. 7.20. Селективный узел
198
его напряжение будет уменьшаться
почти линейно. Чтобы выполнить
условие малого изменения iy на уча-
стке БВ внешней характеристики
тягового генератора, система регули-
рования «магнитный усилитель —
возбудитель — тяговый генератор»
должна иметь большой коэффициент
усиления. Это обеспечивается в ос-
новном за счет значительного коэф-
фициента усиления магнитного уси-
лителя.
При увеличении тока генератора
его напряжение снижается по ли-
нии БВ (см. рис. 7.20, б). При этом
составляющая /ут возрастает, a /ун
убывает. В точке В внешней харак-
теристики составляющая /ун стано-
вится равной нулю и в дальнейшем
iy = iT. Если ток генератора про-
должает возрастать, то из-за боль-
шого коэффициента усиления систе-
мы регулирования напряжение тяго-
вого генератора резко снижается да-
же при незначительном увеличении
/г — наступает ограничение макси-
мального тока тягового генератора
(участок ВГ на рис. 7.20, б).
В случае уменьшения тока генера-
тора напряжение его возрастает.
В точке Б ток /ут = 0 и связь по току
генератора по существу прекраща-
ется. В результате при дальнейшем
уменьшении /г напряжение Ur оста-
ется практически постоянным — на-
ступает ограничение напряжения тя-
гового генератора.
Таким образом, система регулиро-
вания с селективным узлом обес-
печивает падающую внешнюю ха-
рактеристику тягового генератора
с необходимыми ограничениями по
максимальному току и напряжению.
Обмотка магнитного усилителя
ОЗ, м. д. с. которой пропорциональ-
на частоте вращения коленчатого
вала дизеля пд, обеспечивает сме-
щение характеристик тягового гене-
ратора в зависимости от пд. Магни-
тодвижущая сила Б3 обмотки ОЗ
направлена навстречу м. д. с. Fy
обмотки управления ОУ, и увеличе-
ние F3 вызывает увеличение тока
возбуждения возбудителя В.
Из рассмотрения работы селектив-
ного узла следует, что на участке
БВ внешней характеристики тягово-
го генератора не обеспечивается
выполнение одного из основных тре-
бований к системам регулирования
тепловозных дизель-генераторов —
использование полной мощности ди-
зеля. Поэтому в схему вводят еще
один узел — регулировочную обмот-
ку ОР (см. рис. 7.19), включенную
последовательно с индуктивным дат-
чиком ИД объединенного регулято-
ра дизеля. Если мощность дизеля
Ne не соответствует заданной NeH при
данной частоте вращения коленчато-
го вала, то серводвигатель регуля-
тора мощности перемещает шток
индуктивного датчика1. Если Ne<
<ZNeu, то ток датчика, а значит,
и ток регулировочной обмотки МУ
увеличиваются.
При этом возрастает напряжение
на выходе магнитного усилителя, а
следовательно, и напряжение и мощ-
ность тягового генератора. Шток
датчика будет перемещаться до тех
пор, пока не наступит равновесие
Ne = NeK- При Ne> NeH происходит
обратный процесс. Аналогично осу-
ществляется регулирование и на час-
тичных нагрузках.
Таким образом, суммарная магни-
тодвижущая сила магнитного уси-
лителя F = F3-\-Fp — Fy, где Fp —
м. д. с. регулировочной обмотки.
Систему регулируют так, чтобы во
всех случаях обеспечить работу
магнитного усилителя на линейной
части его выходной характеристики.
Испытания системы возбуждения
показали, что в ней иногда возни-
кают незатухающие колебания. По-
этому в систему введен стабилизи-
рующий трансформатор СТ (см.
рис. 7.19), первичная обмотка кото-
рого включена на напряжение воз-
будителя В, а от вторичной полу-
чает питание стабилизирующая об-
мотка ОС магнитного усилителя МУ.
В установившемся режиме по пер-
1 Принцип работы объединенного регуля-
тора мощности рассмотрен в гл. 5.
199
вичной обмотке проходит постоянный
ток и поэтому э. д. с. вторичной об-
мотки трансформатора СТ и ток в
стабилизирующей обмотке ОС рав-
ны 0. Во время переходного процес-
са, когда меняется напряжение воз-
будителя, во вторичной обмотке СТ
наводится э. д. с. и по обмотке ОС
протекает ток. При этом суммарная
м. д. с. магнитного усилителя изме-
няется таким образом, чтобы за-
медлить скорость изменения тока на
выходе МУ. В результате обеспе-
чивается стабилизация режима рабо-
ты системы регулирования.
Таким образом, рассмотренная
система регулирования обеспечи-
вает выполнение требований, предъ-
являемых к системам возбуждения
тягового генератора тепловозов. К
ее недостаткам следует отнести неко-
торую сложность (две электрические
машины и несколько аппаратов) и
использование машин постоянного
тока, которые тяжелее, дороже и тре-
буют большого ухода по сравнению
с машинами переменного тока.
Для тепловозов применяют си-
стемы возбуждения с использовани-
ем управляемых диодов-тиристоров
(рис. 7.21). В этих системах в ка-
честве возбудителя В используют
синхронный генератор переменного
тока. Обмотка возбуждения Н—НН
тягового генератора подключается к
возбудителю через тиристорный регу-
лятор ТРВ. В регулятор вводят связи
по току генератора /г, частоте вра-
щения коленчатого вала пл и мощ-
ности Ne дизеля. В результате полу-
чают нужные характеристики тяго-
вого генератора. Такие системы при-
меняют на тепловозах 2ТЭ116,
ТЭП70, ТЭП75 и др.
Рис. 7.21. Система возбуждения главного ге-
нератора с тиристорным регулятором воз-
буждения
Системы регулирования тяговых
электродвигателей. Как известно,
частота вращения якоря двигателя
постоянного тока
где Ua — напряжение, приложенное к
двигателю; /я и /?я — ток и сопротивле-
ние якоря; Ф — магнитный поток двига-
теля; се — машинная постоянная.
Из формулы (7.5) следует, что
частоту вращения якоря тягового
двигателя можно изменить, регули-
руя напряжение, магнитный поток
или сопротивление в цепи якоря.
Из-за больших потерь последний
способ на тепловозах не приме-
няется.
Способы регулирования напряже-
ния. Напряжение на двигателе мож-
но изменить, регулируя магнитный
поток тягового генератора или изме-
няя схему соединения тяговых дви-
гателей. Рассмотрим возможные схе-
мы соединения тяговых двигателей.
При последовательном соединении
тяговых двигателей к каждому из
них подводится напряжение ил =
= Uv/m, где Ur — напряжение тяго-
вого генератора; m — число двига-
телей, соединенных последовательно.
Переключая тяговые двигатели в
параллельные группы с другим чис-
лом последовательно соединенных
двигателей, можно получить не-
сколько ступеней напряжения на
двигателях. Очевидно, что при че-
тырех двигателях возможны три схе-
мы их соединения (все последова-
тельно, две параллельные группы
по два последовательно соединенных
двигателя и все параллельно), при
шести двигателях — уже четыре схе-
мы и т. п.
Следовательно, с точки зрения по-
лучения большего числа ступеней
регулирования целесообразно вклю-
чать возможно большее число дви-
гателей. Но следует учитывать, что
при увеличении числа переключений
резко возрастает количество аппара-
тов и усложняется схема их вклю-
чения. Поэтому обычно число воз-
200
можных соединений двигателей ог-
раничивается двумя-тремя.
Переключение двигателей возмож-
но тремя способами: с разрывом
цепи, коротким замыканием одного
или группы двигателей и по схеме
моста. Каждый из способов разли-
чается снижением силы тяги в про-
цессе переключения и необходимым
числом аппаратов. Эти два фактора
и определяют область их примене-
ния. При переключении с разрывом
силовой цепи сила тяги локомотива
снижается до нуля. Поэтому такой
способ практически не применяют.
Переключение по схеме моста на теп-
ловозах не применяют, так как он
невозможен без установки дополни-
тельных сопротивлений в цепи яко-
рей двигателей.
Метод короткого замыкания для
переключения заключается в сле-
дующем (рис. 7.22). При включен-
ном контакторе 1 и выключенных
контакторах 2 и 3 тяговые двигатели
(или группы двигателей) ЭД1 и ЭД2
соединены последовательно. При пе-
реключении вначале замыкается кон-
тактор 2 и двигатель ЭД1 оказыва-
ется замкнутым контакторами 1
и 2, а двигатель ЭД2 подключается
на полное напряжение генератора.
Затем контактор / выключается, а
контактор 3 включается и двигатель
ЭД1 также подключается к генера-
тору. При переключении происходит
снижение силы тяги. Однако в связи
с большой инерционностью электри-
ческих машин и малым временем
переключения это снижение силы
тяги получается небольшим и спо-
соб переключения коротким замыка-
нием используется на тепловозах.
На тепловозах напряжение тяго-
вых двигателей изменяется за счет
изменения напряжения тягового ге-
нератора Ur по внешней характе-
ристике. Действительно, при изме-
нении сопротивления движению по-
езда изменяется скорость v тепло-
воза. Ток тягового двигателя
иг — се пФ
Рис. 7.22. Схема переключения тяговых дви
телей методом короткого замыкания
Следовательно, изменение часто-
ты п вращения якоря двигателя,
пропорциональной скорости v теп-
ловоза, влечет за собой увеличение
или уменьшение тока генератора.
Соответственно по внешней харак-
теристике тягового генератора ме-
няется его напряжение. Таким об-
разом, на тепловозах отклонение
скорости движения автоматически
влечет за собой изменение напряже-
ния, подводимого к тяговым двига-
телям. Кроме того, напряжение гене-
ратора £/г~сегядФг- Регулируя час-
тоту вращения пд коленчатого вала
дизеля, можно регулировать и на-
пряжение тягового генератора. Этим
способом обычно пользуются при
трогании тепловоза с места.
Способ регулирования магнитного
потока. При последовательном воз-
буждении тяговых двигателей одно-
временно с изменением тока якоря
изменяется и магнитный поток. Это
обеспечивает некоторую степень са-
морегулирования, благодаря чему
двигатели последовательного воз-
буждения широко применяют на ло-
комотивах.
Для уменьшения размеров и массы
тягового генератора целесообразно
максимально использовать возмож-
ности регулирования магнитного по-
тока тяговых двигателей. При этом
габаритные размеры тягового гене-
ратора можно уменьшить, что видно
из формулы (7.5). Очевидно, что
заданный диапазон измерения час-
тоты вращения якорей тяговых дви-
гателей можно обеспечить за счет
изменения их магнитного потока или
подводимого к ним напряжения, при-
чем чем больше степень регулирова-
201
ния магнитного потока, тем меньше
необходимый диапазон регулирова-
ния напряжения тягового генера-
тора. Следовательно, можно сни-
зить максимальное напряжение, от
которого зависят размеры магнит-
ной системы, габаритные размеры
и масса тягового генератора.
Поэтому на тепловозах с электри-
ческой передачей широко приме-
няют различные способы уменьше-
ния магнитного потока (ослабления
возбуждения) тяговых двигателей.
Степень ослабления возбуждения
a = Fon/Fnn, где Fon и Fnn — магни-
тодвижущие силы обмотки возбуж-
дения соответственно при ослаблен-
ном и полном возбуждении.
Максимальная допустимая степень
ослабления магнитного потока ог-
раничивается коммутационными ус-
ловиями на коллекторе, которые ха-
рактеризуются максимальной реак-
тивной э. д. с. ег в коммутирующих
секциях и максимальным межла-
мельным напряжением ек. Поэтому
с точки зрения коммутации наибо-
лее тяжелым для двигателя явля-
ется режим максимальной скорости
движения при наибольшем ослабле-
нии возбуждения, так как именно
в этом случае ег и ек достигают
максимального значения.
Существуют два основных спо-
соба регулирования магнитного по-
тока: отключением части витков
обмотки возбуждения (рис. 7.23, а)
и шунтированием обмотки возбуж-
дения (рис. 7.23, б). При отключении
части витков контактор / замыка-
ется, а контактор 2 размыкается.
Отключение части витков только
замыканием контактора 1 недопус-
тимо, так как при резких бросках
Рис. 7.23. Схемы
регулирования
магнитного по-
тока
тока в закороченной части витков
индуктируется э. д. с. и появляется
ток, м. д. с. которого направлена
против м. д. с. основной части об-
мотки. В результате резко умень-
шается поток двигателя, что может
привести к нарушениям коммута-
ции.
Степень ослабления возбуждения
= F°" = ц,|/« =
Fnn (®l + K’s) /„ ~ W, + W2'
Метод отключения части витков
при нескольких ступенях регулиро-
вания не применяют, так как при
этом усложняется конструкция тя-
гового двигателя из-за необходимо-
сти выполнения нескольких выводов
от обмотки возбуждения и увеличи-
вается число контакторов.
Метод регулирования магнитного
потока шунтированием обмотки воз-
буждения нашел повсеместное рас-
пространение благодаря своей про-
стоте. В этом случае параллельно
обмотке возбуждения контактором /
(см. рис. 7.23, б) подключается ре-
зистор Ru. Степень ослабления воз-
буждения
F w I I
1 on w 1 в 1 в
а = = —г- = Т">
где 1Я и /в — токи якоря двигателя и
обмотки возбуждения; w — число витков
обмотки возбуждения.
Легко показать, что
а~ Яш + Яв’
где Яв и Яш — сопротивления обмотки
возбуждения и шунтирующего резисто-
ра. Следовательно, изменяя Яш, можно
регулировать степень ослабления воз-
буждения. Это позволяет легко по-
лучить необходимое число ступеней ре-
гулирования.
Недостатками метода регулирова-
ния с помощью шунтирующего ре-
зистора являются необходимость в
установке громоздких и тяжелых
шунтирующих резисторов, усложне-
ние схемы при большом числе сту-
пеней ослабления возбуждения и
202
некоторые явления, возникающие
во время переходных процессов при
ступенчатом регулировании и ухуд-
шающие коммутационные условия
работы двигателей.
Поэтому в последние годы ве-
дутся исследования различных си-
стем плавного регулирования маг-
нитного потока для тяговых двигате-
лей смешанного или независимого
возбуждения. Кроме устранения не-
достатков, свойственных системам
ступенчатого регулирования, эти схе-
мы позволяют: повысить противобок-
совочную устойчивость локомоти-
вов, что особенно важно при росте
их мощности, разработать простые
схемы реостатного торможения и т. д.
Следует отметить, что на теплово-
зах увеличение тока двигателей при
изменении схемы соединения или ос-
лаблении возбуждения вызывает
соответствующее увеличение тока тя-
гового генератора и уменьшение его
напряжения. Мощность же тягового
генератора и тяговых двигателей
при этом остается постоянной, а
значит, при переключениях в схеме
не изменяется и сила тяги тепло-
воза. Следовательно, на тепловозах
изменение схемы соединения тяговых
двигателей и ослабление их магнит-
ного потока позволяют лишь много-
кратно использовать внешнюю ха-
рактеристику тягового генератора.
При этом ту же максимальную ско-
рость движения можно получить
при меньшем напряжении, а значит,
при меньших габаритных размерах
и массе тягового генератора.
Г л а в a 8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
И АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ
8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
На тепловозах применяются элек-
трические машины различных видов:
тяговые генераторы, тяговые элек-
тродвигатели, возбудители и подвоз-
будители, вспомогательные генерато-
ры и электродвигатели, стартер-
генераторы и электростартеры. Тя-
говые генераторы и тяговые элек-
тродвигатели относятся к основным,
а остальные — к вспомогательным
электрическим машинам тепловозов.
Все выпускаемые электрические ма-
шины в основном постоянного тока,
но для основных серий тепловозов
тяговые генераторы, возбудители и
подвозбудители выпускаются син-
хронными, а некоторые опытные
образцы тяговых электродвигателей
и ряд вспомогательных электродви-
гателей — асинхронными. Для пита-
ния цепей управления, освещения и
некоторых других электропотребите-
лей при неработающем дизеле, а
также для электрического пуска ди-
зеля на тепловозах устанавливается
аккумуляторная батарея.
По конструкции, характеристикам
и режимам работы электрические
машины тепловозов существенно от-
личаются от электрических машин
общего назначения. Они должны раз-
вивать большую мощность на едини-
цу массы и объема, быть работо-
способными в условиях повышенной
вибрации, тряски, толчков и ударов
с ускорением до 20g для тяговых
электродвигателей и до 3g для ос-
тальных электромашин и аккумуля-
торных батарей, в различных кли-
матических условиях, в том числе
при температурах окружающего воз-
духа от минус 50 до плюс 40 °C
(в тени), на высоте до 1200 и даже
1400 м над уровнем моря, а в испол-
нении для особо холодных районов
204
(ХЛ) — от минус 60 до плюс 40 °C,
при резких изменениях температуры
окружающего воздуха (на 20—30 °C
за 2—3 ч), в запыленном влажном
воздухе, при выпадении росы и др.
Конструкция, применяемые мате-
риалы и технология изготовления
электрических машин для тепловозов
должны обеспечивать повышенную
прочность, безотказность, долговеч-
ность и ремонтопригодность их в
эксплуатации, способность к боль-
шим кратковременным перегрузкам и
стойкость к различным климатичес-
ким и эксплуатационным условиям.
В связи с этим исполнение основ-
ных составных частей машин и бата-
рей имеет ряд характерных особен-
ностей.
Обмотки якорей высокоиспользо-
ванных тяговых генераторов пос-
тоянного тока выполняют многоходо-
выми, ступенчатыми с полным числом
уравнительных соединений для ус-
тойчивой работы их при больших
нагрузках, а обмотки статоров син-
хронных генераторов — волновыми
одновитковыми, иногда совмещенны-
ми в одних пазах сердечников с
вспомогательными обмотками. В об-
мотках применяют провода с усилен-
ной витковой изоляцией. Корпусную
изоляцию выполняют из тепло- и
влагостойких материалов классов F и
Н, устойчивых также к загрязнениям,
парам топлива и масла и продуктам
сгорания, дизеля. В пазах сер-
дечников изоляцию обмоток допол-
нительно усиливают гильзой из плен-
костеклоткани. Для перспективных
предельно используемых машин
применяют наиболее прогрессивную
полиамидную изоляцию класса Н.
Лобовые части обмоток якорей кре-
пят бандажами из специальной высо-
копрочной бандажной стеклоленты,
наложенной с натяжением до 400 МПа
по определенной схеме расклад-
ки, а в пазах сердечников обмо-
тки крепят стеклотекстолитовыми
или прессованными из прочной
пластмассы клиньями. Для повыше-
ния монолитности, влагостойкости,
механической и электрической проч-
ности изоляции обмотки после
укладки пропитывают в термореак-
тивных лаках или эпоксидном ком-
паунде.
Сердечники якорей и статоров ма-
шин набирают (шихтуют) из тонко-
листовой электротехнической стали с
высокой магнитной проницаемостью
и изоляционным (лаковым или ме-
таллургическим) покрытием. Край-
ние пакеты листов сваривают по
зубцам неплавящимся электродом
или усиливают нажимными пальцами
для предотвращения от распушения
и излома зубцов в эксплуатации.
Коллекторы электрических машин
постоянного тока выполняют с герме-
тизированной внутренней полостью
для предотвращения проникновения
влаги к изоляционным деталям.
Пластины коллекторов тяговых гене-
раторов и электродвигателей изго-
тавливают из меди, легированной
кадмием или серебром, с повышен-
ной твердостью (до 100—105 НВ)
и повышенной точностью размеров
профиля сечения. Петушки (флаж-
ки) коллекторных пластин (для
соединения их с обмоткой якоря)
у тяговых генераторов паяют вна-
хлест медно-фосфористым припоем:
из отдельного профиля (жесткие)
или из медной ленты (мягкие)
при большой разности диаметров
коллектора и якоря. У других
машин пластины вырубают вместе
с петушками из одного высокого
профиля. При изготовлении коллек-
торов обеспечивают высокую точ-
ность расположения пластин по ок-
ружности и вдоль оси, монолитность,
стабильность и круглость рабочей
поверхности комплекта пластин, не-
обходимые для устойчивого токо-
съема.
Щеткодержатели с щетками уста-
навливают с высокой точностью от-
носительно оси и диаметра коллек-
тора и надежно крепят к кронштей-
нам (или бракетам) через рифленые
(гребенчатые) привалочные поверх-
ности для предотвращения от спол-
зания их на коллектор при высоких
динамических и вибрационных воз-
действиях. В механизме щеткодер-
жателей применяют рулонные пру-
жины из специальной ленты или
другие пружинно-рычажные устрой-
ства для обеспечения постоянства
нажатия на щетки и стабильного
контакта их с коллектором (кон-
тактными кольцами).
Магнитные системы электрических
машин постоянного тока выполняют
с полным числом главных и доба-
вочных полюсов, располагая их с вы-
сокой точностью по окружности.
Сердечники главных полюсов соби-
рают на заклепках из тонколисто-
вой стали, а для надежного креп-
ления их болтами к магнитопрово-
ду (корпусу машины) вдоль оси
сердечника вставляют в окно или
внешний паз стержень с резьбовы-
ми отверстиями. Катушки на сердеч-
никах полюсов жестко закрепляют
от перемещения с помощью пластин-
чатых пружин и дистанционных
изолирующих рамок или путем про-
питки и запечки собранных полю-
сов в эпоксидном компаунде. Выводы
катушек выполняют повышенной
вибропрочности иногда из специаль-
ного уголкового медного профиля
или с дополнительным усилением
(подпором) стальными изолирован-
ными пластинами, а также из паке-
тов тонких медных Лент. Межкату-
шечные соединения выполняют из
многожильных проводов и пакетов
медных лент с закреплением их в
средней части к изолированным ско-
бам корпуса машин для предотвра-
щения от излома при повышенных
вибродинамических воздействиях.
Контактные соединения токоведу-
щих частей выполняют с плотным
и стабильным прилеганием соединя-
емых поверхностей, не изменяющим-
ся в сложных вибрационных, тем-
пературных и климатических воздей-
205
ствиях. С этой целью применяют
тугоплавкие и вибростойкие сереб-
росодержащие и латунные припои,
тщательно лудят соединяемые по-
верхности, контролируют качество
пайки специальными приборами.
Обмотку якоря тяговых электродви-
гателей соединяют с коллектором
газоэлектрической сваркой непла-
вящимся электродом.
В ответственных разъемных сое-
динениях устанавливают болты из
высокопрочной легированной стали,
а также пружинные тарельчатые
шайбы и др.
Несущие детали и сборочные еди-
ницы (литые и сварные) изготавли-
вают из стали качественных и хо-
лодостойких марок с улучшенной
термической и механической обра-
боткой для сохранения ими работо-
способности при низких температу-
рах и в условиях повышенной виб-
рации и тряски. Для всех электри-
ческих машин предусматривают ин-
тенсивное воздушное охлаждение
(вентиляцию), осуществляемое сле-
дующими способами: естественным,
т. е. за счет теплоотдачи с наруж-
ной поверхности в окружающий воз-
дух,— самые малые машины; само-
вентиляцией, т. е. перемещением
(протягиванием) через машину по
специальным каналам и зазорам
между составными частями потока
охлаждающего воздуха посредством
закрепленного на якоре или роторе
внутри машины (встроенного) вен-
тилятора,— большинство вспомога-
тельных машин, тяговые генераторы
маневровых и первых серий маги-
стральных тепловозов мощностью до
1500 кВт; принудительной вентиля-
цией, т. е. пропуском через маши-
ну (под давлением) охлаждающего
воздуха от внешнего (независимого)
вентилятора,— все основные элек-
трические машины выпускаемых и
перспективных тепловозов.
Аккумуляторные батареи дополни-
тельно должны обладать большой
емкостью, устойчивостью к большим
толчковым, а также глубоким раз-
рядам, многократным перезарядам,
206
сохранять работоспособность после
длительного хранения и перерывов
в работе.
8.2. ТЯГОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Тяговые генераторы предназначе-
ны для преобразования механичес-
кой энергии дизеля тепловоза в элек-
трическую и питания ею тяговых
электродвигателей непосредственно
или через выпрямительную установ-
ку. Тяговые генераторы постоянно-
го тока используются (кратковре-
менно) также для пуска дизеля, ра-
ботая в режиме электродвигателя
с питанием от аккумуляторной бата-
реи. Основные технические данные
тяговых генераторов, эксплуатиру-
емых на железных дорогах страны
и осваиваемых промышленностью
новых серий тепловозов, приведены
в табл. 8.1. В зависимости от рода
тока, мощности, габаритов, системы
вентиляции и способа монтажа кон-
струкция тяговых генераторов имеет
ряд существенных особенностей.
Наиболее распространенными и ти-
пичными по конструкции являются:
ГП311Б — генераторы постоянного
тока и ГС501А — синхронные.
Тяговый генератор ГП311Б. Ге-
нератор представляет собой 10-по-
люсную некомпенсированную элек-
трическую машину постоянного тока
с независимыми возбуждением и вен-
тиляцией (рис. 8.1). Он имеет сле-
дующие основные сборочные едини-
цы: якорь, магнитную систему, под-
шипниковый щит с поворотной тра-
версой, щеточный аппарат и съемные
щитки-крышки (со стороны коллек-
тора), патрубок для подвода охлаж-
дающего воздуха (со стороны при-
вода) .
Якорь имеет оребренный сварной
остов 21 бочкообразной конструкции
с фланцем 30 для сочленения (через
муфту) с коленчатым валом дизеля
и конусным концом вала 3 со стороны
коллектора для привода от дизеля
вспомогательных электромашин и
механизмов тепловоза. Он опирается
Агрегат Тяговый генератор
Машина Тип Род тока Мощ- ность, кВт Напря- же- ние, В, длитель- ное
наиболь- шее
ГП300БУ2 780 645
870
ГП311БУ2 ГП311ВУ2 ГП312У2 Постоянный 2000 2000 1270 465 700 465 635 356 570 360 580
ГС501АУ2 2800
ГС515У2 1400 175 280
Тяговый генератор Вспомогательный гене- А714АУХЛ2 =2 2 2800 630 336 580 400
ратор Тяговый генератор Вспомогательный гене- ратор А716УХЛ2 ный синхронг 4000 500 410 660 400
Тяговый генератор Вспомогательный гене- ратор А717УХЛ2 Перемен) 4000 450 410 600 360
Таблица 8.1
Ток, А Частота вращения наиболь- шая, об/мин К.п.д. (наи- боль- ший), % Масса, кг Парамет- ры ох- лаждаю- щего воз- духа, Па/м3с Серии тепловоза
при напря- жении наибольшем наиболь- ший крат- ковремен- ный
наименьшем
900 1900 750 94 4800 Самовен- ТЭМ2
1210 тиляция
2870 6600 850 94,3 8700 981 2ТЭ10
4320 4,16
3150 6600 750 94,3 9000 981 ТЭП60
4320 4,16
2230 6000 750 94,5 7400 500 М62
2,67
3570
2X1500 2 X 3700 1000 95,9 6000 1372 ТЭ116, ТЭП70
2X2400 4,45
2X1540 2X3500 1000 95,8 4800 1200 ТЭ.М7
2 X 2500 2,8
2Х 1520 2X2400 2X570 2 X 3400 95,8 7600 1700 2ТЭ120, 2ТЭ121,
2X855 1000 91 5,9 ТЭ130
2Х 1850 2X2950 2X2400 1000 96 10 000 2650 6,5 2ТЭ136
2X640 — 88
2 X 2040 2X2950 2X2400 900 95,5 10000 2800 6,5 2ТЭ126
2X640
со стороны коллектора на сфери-
ческий роликовый подшипник 4 ге-
нератора, а со стороны привода—
на подшипник коленчатого вала ди-
зеля.
Сердечник якоря 20 набран из тон-
ких сегментных листов электротехни-
ческой стали, разделенных на пакеты
распорками 22, образующими ра-
диальные каналы для прохода вен-
тиляционного воздуха и улучшения
охлаждения якоря. Он закреплен
на ребрах остова встречными клино-
выми шпонками 24 и нажимными
шайбами, стянутыми (под прессом)
шпильками 27 с гайками.
Коллектор состоит из медных плас-
тин 9 (легированных серебром), изо-
лированных между собой и от корпу-
са и стянутых стальными конусами
и шпильками в арку (монолитное
кольцо) за выступы в виде так
называемого ласточкиного хвоста.
Между гибкими петушками пластин
установлены изолирующие пласт-
массовые прокладки 15 для предо-
хранения от замыканий во время
пайки обмотки к петушкам и в слу-
чае загрязнений в эксплуатации.
Обмотка 16 якоря петлевая двух*
ходовая (нечетные секции 1, 3, 5, ...
обмотки посредством петушков сое-
динены с нечетными пластинами
1—3, 3—5, 5—7, ...; четные секции
2, 4, 6, ...— с четными пластинами
2—4, 4—6, 6—8, ... коллектора),
ступенчатая (одна из секций в каж-
дой катушке имеет увеличенный
на единицу шаг по пазам), с полным
числом уравнительных соединений
первого рода (каждая пластина кол-
лектора в петушках соединена урав-
нителем с другой, имеющей теорети-
чески одинаковый потенциал, т. е.
через пк/р шт., где пк — число кол-
лекторных пластин; р — число пар
полюсов). Укладка обмотки в якорь
и закрепление катушек в пазах сер-
дечника выполнены по схеме рис. 8.2.
После укладки в якорь обмотку
пропитывают в изоляционном лаке
вакуум-нагнетательным способом
(сушат в разреженной атмосфере—
вакууме — и пропитывают при избы-
точном давлении), затем сушат (за-
пекают) для обеспечения монолит-
ности конструкции. Лобовые части
обмотки закрепляют стеклобанда-
Рис. 8.1. Тяговый генератор постоянного тока ГП311Б
208
Рис. 8.2. Схема укладки обмотки якоря гене-
ратора ГП311Б:
а — укладка в якорь и пластины коллектора урав-
нителей и катушек обмотки; б — размещение ка-
тушек в пазах сердечника; / — пластины (петуш-
ки пластин) коллектора; 2, 14 — нижняя и верхняя
ветви секции уравнителя; 3, 6 — верхняя и нижняя
ветви секции катушки; 4 — ступенчатая секция ка-
тушки, переходящая в следующий паз; 5— соеди-
нительная гильза; 7 — пазовый клин; 8, 10, 13 —
уплотнительные, дистанционная и защитная изоля-
ционные прокладки; 9 — проводник секции катуш-
ки; 11 — корпусная изоляция катушки; 12 — изо-
ляционная выстилка паза; 15, 16 — шаг по коллек-
тору секций катушек и уравнителей; 17, 18 — ниж-
няя и верхняя ветви катушек в пазе
жом 25 (см. рис. 8.1). Концы сек-
ций обмотки соединяют с петушками
коллектора и в разрезных головках
(ступенчатых секций) с гильзами
26 пайкой серебросодержащим при-
поем. Динамическую балансировку
якоря производят закреплением гру-
зов 8 в пазу конуса коллектора
и болтами на задней нажимной шай-
бе сердечника.
Магнитная система включает
магнитопроводящий корпус (стани-
ну) 18, главные 19 и добавочные
23 полюсы, межкатушечные соедине-
ния 17 и выводы 1 обмоток, закреп-
ленные в колодках (клицах) к под-
шипниковому щиту. Корпус изготов-
лен из толстолистового стального
проката гибкой (в холодном сос-
тоянии) и сваркой. Он имеет опорные
лапы 29 для установки и закреп-
ления генератора.
Сердечники главных полюсов соб-
раны из листов электротехнической
стали (для уменьшения потерь от
вихревых токов и увеличения маг-
нитной проницаемости) и стянуты
под прессом (через жесткие щеки)
заклепками. В средней части сердеч-
ника вдоль оси вставлен стальной
стержень с резьбовыми отверстиями
для закрепления полюса болтами к
корпусу. На сердечник надета катуш-
ка, объединяющая в стальном изоли-
рованном каркасе обмотки независи-
мого возбуждения и пусковую.
Сердечники добавочных полюсов
изготовлены из толстолистового про-
ката и изолированы опрессованной
и запеченной стеклотканью. С одной
стороны они имеют резьбовые отвер-
стия для крепления полюсов к корпу-
су, а с другой — более узкий наконеч-
ник с закрепленными заклепками
немагнитными (дюралюминиевыми)
уголками. Катушка на сердечнике
плотно зажата между уголками и
Стальной накладкой через волнистые
пластинчатые пружины и изолирую-
щие рамки. Между накладкой и сер-
дечником размещена немагнитная
прокладка для перераспределения и
повышения эффективности общего
воздушного зазора в магнитной цепи
полюсов. В процессе изготовления
катушку главного полюса и добавоч-
ный полюс в сборе пропитывают в
электроизоляционном лаке или эмали
и сушат (запекают) в печи. Межка-
тушечные соединения и выводы кон-
цов обмотки независимого возбужде-
ния выполняют из монтажных прово-
дов, а остальных обмоток — из мед-
ных лент и шин. Подробно устрой-
ство и крепление полюсов приведены
на рис. 8.3. Соединение обмоток и
маркировку выводов производят по
схеме, приведенной на рис. 8.4.
Подшипниковый щит 6 (см. рис.
8.1) является торцовой частью кор-
пуса генератора. Он удерживает и
центрирует якорь и щеткодержатели
и закрывает внутренние части гене-
ратора со стороны коллектора. Щит
выполнен в виде сварного каркаса
из колец и ребер, согнутых в хо-
209
4 5 6 7 в 3 10 11 1213
Рис. 8.3. Устройство и крепление полюсов
генераторов ГП311Б:
/ — сердечник главного полюса; 2,3— стержень
и болт крепления полюса; 4 — корпус (станина)
генератора; 5, И — прокладки регулировочные;
6 — каркас катушек главного полюса; 7 — изоля-
ция каркаса; 8, 10, 25, 26 — рамки изолирующие;
9, 17, 24 — проводники катушек: независимого воз-
буждения, добавочного полюса, пусковой; 12 —
волнистая пластинчатая пружина; 13 — накладка;
14 — прокладка немагнитная; 15, 22 — корпусная
изоляция катушек; 16, 23— межвитковая изоля-
ция; 18 — сердечник добавочного полюса; 19—
изоляция сердечника; 20, 27— заклепки; 2! —
опорный немагнитный уголок
лодном состоянии из стального про-
ката. В центральную часть щита
вставлена и закреплена болтами вы-
емная ступица 5, позволяющая при
необходимости заменить в эксплуата-
ции подшипник без снятия с теплово-
за и разборки генератора. К корпусу
щит крепят болтами за внешнее
кольцо с центрирующим выступом.
Торцовая плоская часть щита закры-
та щитками 7, а конусная — быстро-
съемными крышками 11 из тонколис-
товой стали. В щите размещена
поворотная траверса, выполненная в
виде жесткого сварного кольца 14
из стального проката с посадочным
и зубчатым венцами и десятью
U-образными накладками. К наклад-
кам через изоляторы 13 крепят дюр-
алюминиевые бракеты 12 с девятью
щеткодержателями и щетками 10, а
также токособирательные шины. Тра-
верса центрируется в цилиндрической
и конусной расточках ребер щита и
Рис. 8.4. Схема соединений обмоток генератора ГП311Б:
Н, К‘, «1, к! —начало и конец катушек полюсов; Я1, Я2—начало и конец обмотки якоря; Н1,
Н2— начало и конец обмотки независимого возбуждения; П1— начало пусковой обмотки; Д2, П2— ко-
нец обмоток: добавочных полюсов, пусковой. Штриховыми линиями показаны соединения катушек
со стороны, противоположной коллектору
210
в
7
Рис. 8.5. Щеткодержатель тяговых генераторов:
/— корпус; 2— рифление привалочной (контактной) поверхности; 3— щетка разрезная; 4— амортиза-
тор; 5—токопровод щетки; 6—нажимной палец; 7—скоба; 8, 11—втулки; 9—ось; 10—рулонная
пружина; 12— болт крепления щеткодержателя
крепится к этим ребрам болтами с по-
мощью специальных планок. Поворот
траверсы (для обслуживания распо-
ложенных в нижней части генератора
щеткодержателей и щеток) осущест-
вляется вручную с помощью встроен-
ной в верхней части щита шестерни.
Конструкция и крепление щеткодер-
жателей показаны на рис. 8.5.
Сварной патрубок 28 (см. рис.
8.1) служит для подвода охлаждаю-
щего воздуха, а также является
щитом, закрывающим внутренние
части генератора со стороны приво-
да. Он выполнен разъемным из че-
тырех секторов. Два верхних сектора
имеют раструбы (люки) для соеди-
нения с воздуховодами на теплово-
зе. Охлаждающий воздух внутри
генератора проходит двумя потока-
ми: один — через остов якоря (под
сердечником), радиальные каналы
между пакетами листов сердечника
и частично между петушками над
поверхностью коллектора; другой —
через магнитную систему. Оба потока
объединяются в камере подшипнико-
вого щита тягового генератора над
коллектором и выходят через люки 2
в нижних крышках подшипникового
щита.
В электрическую схему тепловоза
генератор включается с помощью
контакторов обмотками: пусковой —
к аккумуляторной батарее, незави-
симого возбуждения — к возбудите-
лю, якоря и добавочных полюсов
(через переключатель-реверсор) — к
тяговым электродвигателям. Пуско-
вая обмотка имеет постоянное соеди-
нение с обмоткой добавочных полю-
сов внутри генератора (см. рис.
8.4), и через щетки обе они вклю-
чаются последовательно с обмоткой
якоря, причем для обеспечения боль-
шей равномерности магнитного пото-
ка, создаваемого добавочными по-
люсами, они разделены на две па-
раллельные группы (через один) и
по обмоткам каждой группы полюсов
протекает половина тока якоря. При
подключении пусковой обмотки к
аккумуляторной батарее она выпол-
няет роль обмотки последователь-
211
ного возбуждения и генератор на-
чинает работать в режиме электро-
двигателя, вращая коленчатый вал и
осуществляя пуск дизеля. Добавоч-
ные полюсы при этом выполняют
свою обычную роль компенсации по-
тока реакции якоря, а обмотка не-
зависимого возбуждения отключена.
В нормальном рабочем режиме гене-
ратора обмотка независимого воз-
буждения подключена к возбудите-
лю, а пусковая обмотка разомкнута,
но находится под напряжением гене-
ратора.
При эксплуатации и техническом
обслуживании генератора преиму-
щественное внимание уделяется сос-
тоянию коллектора, щеткодержате-
лей и щеток, изоляции, контактных
соединений токоведущих частей и
подшипника.
Тяговый генератор ГС501А. Трех-
фазная синхронная электрическая
машина (рис. 8.6) защищенного
исполнения с 12 явно выраженными
полюсами на роторе, с независи-
мыми возбуждением и вентиляцией.
По конструкции составных частей
генератор существенно отличается от
генератора ГП311Б. Основными сбо-
рочными единицами его являются
статор, ротор, подшипниковый щит
с закрепленными в нем щеткодер-
жателями (и щетками) и патрубок
для подвода охлаждающего воздуха.
Статор собран в корпусе 10 свар-
ной конструкции. Он имеет сердеч-
ник 13 из сегментных листов электро-
технической стали с расположенными
по внутреннему диаметру 144 паза-
ми, в которых уложена волновая
одновитковая обмотка 9. Она выпол-
нена по схеме двух трехфазных звезд
с двумя параллельными ветвями в
каждой. Звезды сдвинуты одна от-
носительно другой на 30 электричес-
ких градусов. Катушки обмотки
закреплены в пазах сердечника изо-
9 10 11 12 13 /4
Рис. 8.6. Тяговый синхронный гянератор типа ГС501А
212
ляционными клиньями, а в лобовых
частях — к нажимным шайбам 14
через изоляционные колодки 15 со
шпильками или стеклобандажом.
Концы катушек соединены медными
гильзами (хомутиками) с помощью
пайки серебросодержащим припоем
и закрыты от загрязнений в эксплуа-
тации пластмассовыми коронками 8.
Схема укладки и закрепления обмот-
ки в пазах сердечника показана
на рис. 8.7.
Ротор, как и якорь генератора
ГП311Б, собран на бочкообразном
остове. Но вместо коллектора на
остов насажены (через изолирующий
цилиндр) контактные кольца 2 (см.
рис. 8.6), а вместо сердечника с
радиальными пазами и обмоткой —
индуктор (магнитопроводное ярмо)
12 из тонколистовой конструкцион-
ной стали, в трапецеидальных пазах
которого с помощью встречных кли-
новых шпонок закреплены полюсы 11
моноблочной конструкции. На сер-
дечниках полюсов, кроме катушек
возбуждения, размещена так назы-
ваемая успокоительная (демпфер-
ная) обмотка, выполненная из сталь-
ных стержней 6, приваренных к
щекам сердечника, и предназначен-
ная для уменьшения потерь и пере-
напряжений в аварийных режимах
нагрузки генератора. Междуполюс-
ные соединения катушек возбужде-
ния выполнены медными шинами,
закрепленными в изоляционных ко-
лодках 5 на торцах индуктора, а
общие выводные концы 4 обмотки
закреплены к контактным шпилькам
с гайками. Подробно конструкция
и крепление полюсов показаны на
рис. 8.8. Соединение и маркировка
выводов обмоток генератора выпол-
нены по схеме, приведенной на
рис. 8.9.
Конструкция подшипникового щи-
та 7 (см. рис. 8.6) со съемными
крышками, вмонтированного в него
подшипника 1, закрепленных в щите
через изоляторы щеткодержателей
3 (и щеток), а также патрубка
16 для подвода охлаждающего воз-
духа аналогичны описанным для ге-
Рис. 8.7. Схема укладки обмотки статора
генератора ГС501А:
а — укладка катушек обмотки в статор; б — раз-
мещение катушек в пазах сердечника; /, 2— верх-
няя и нижняя ветви катушки; 3, 6, 8— защитная,
дистанционная и уплотнительные изоляционные
прокладки; 4— изоляционная выстилка паза; 5 -
корпусная изоляция катушки; 7— проводник сек-
ции катушки; 9— пазовый клин
нератора ГП311Б. Система охлажде-
ния отличается от генератора
ГП311Б тем, что один поток охлаж-
дающего воздуха проходит между
полюсами ротора и в зазоре между
ротором и статором, а другой —
через аксиальные вентиляционные
каналы в сердечнике и между сер-
Рис. 8.8. Устройство и крепление полюсов
генератора ГС501А:
I- сердечник; 2—стяжная шпилька; 3—трапе-
цеидальный выступ для крепления полюса; 4—
встречные клиновые шпонки; 5— сердечник (ин-
дуктор) ротора; 6, 7— проводник и корпусная
изоляция катушки; 8, 9— межвитковая и покров-
ная изоляция катушки; 10— изоляция сердечника.
11- рамка изолирующая; 12— стержень демпфер-
ной обмотки
213
Рис. 8.9. Схемы соединений обмоток синхронных генераторов:
а — тягового; б — вспомогательного; н, к — начало и конец катушек полюсов ротора; И1, И2, ИЗ, И4—
начало и конец обмотки возбуждения; /С/, 1С2,1СЗ, 2С1, 2С2, 2СЗ и ЗС1, ЗС2, ЗСЗ, 4С1, 4С2, 4СЗ— кон-
цы фаз звезд обмотки статора; 10, 20, 30— выводы нулевых точек звезд обмотки статора
Рис. 8.10. Электрогенераторный агрегат типа А714А:
1— клиентский конец вала; 2— подшипник; 3 - масленка шариковая; 4— контактные кольца; 5— щет-
кодержатели со щетками; 6— подшипниковый щит; 7, 17— патрубки для выхода и входа охлаждающего
воздуха; 8, 15—обмотки статоров; 9, 13—полюсы роторов; 10, 14- корпусы статоров; 11—направ-
ляющий щиток охлаждающего воздуха; 12. крепление лобовых частей обмоткн статора; 16— вывод-
ные концы фаз и нулевых точек звезд обмотки статоров; 18, 20— остовы роторов; 19-- приводной
фланец ротора агрегата; 21—соединение обмотки роторов с контактными кольцами
214
дечником и корпусом статора. При
эксплуатации генератора должны
обеспечиваться регулярный контроль
состояния токоведущих частей, изо-
ляционных и охлаждаемых внутрен-
них поверхностей подшипника и их
чистота.
Для осваиваемых промышлен-
ностью новых тепловозов созданы
новые тяговые синхронные гене-
раторы, имеющие ряд конструктив-
ных особенностей. С целью сокра-
щения габаритов и массы, упрощения
привода и улучшения компоновки
оборудования на многих тепловозах
тяговые и вспомогательные синхрон-
ные генераторы выполнены в виде
единого электрогенераторного агре-
гата (рис. 8.10).
8.3. ТЯГОВЫЕ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Тяговые электродвигатели пред-
назначены для привода колесных
пар через тяговые редукторы и обес-
печения движения тепловоза. Прин-
ципиальная конструкция большин-
ства тяговых электродвигателей теп-
ловозов одинакова. Различие состоит
в основном в способе закрепления
(подвески) на тележке, в системе
смазывания моторно-осевых подшип-
ников, в исполнении некоторых сос-
тавных частей и в целом сборочных
единиц, отражающем время выпуска
и особенности тепловоза. Все тяго-
вые электродвигатели, кроме типа
ЭД 126, являются четырехполюсными
с последовательным возбуждением, а
типа ЭД 126 — шестиполюсные.
Тяговые электродвигатели могут
работать только при обеспечении
эффективной вентиляции. Основные
технические данные тяговых электро-
двигателей для широко эксплуатиру-
емых и осваиваемых новых тепло-
возов приведены в табл. 8.2. Наибо-
лее типичными по устройству из
выпускаемых и осваиваемых на
перспективу тяговых электродвига-
телей являются ЭД118Б, ЭД125БМ,
ЭД126А, ЭД900.
Тяговый электродвигатель ЭД118Б.
Электродвигатель (рис. 8.11) состоит
из следующих сборочных единиц:
якоря, магнитной системы (в корпу-
се которой также закреплены щетко-
держатели со щетками), подшипни-
ковых щитов с якорными подшип-
никами, съемных крышек и щитков
монтажно-смотровых (коллектор-
ных) и вентиляционных люков,
выводных проводов концов обмоток,
моторно-осевых подшипников.
Якорь электродвигателя собран на
валу /, изготовленном из качествен-
ной легированной стали с дополни-
тельной термообработкой и имеющем
свободный конусный конец для на-
садки ведущей шестерни тягового
редуктора. Он опирается на два ро-
ликовых подшипника 2 и 21, вмон-
тированных в подшипниковые щиты
3 и 19. Сердечник 14 якоря наб-
ран из листов электротехнической
стали, зажатых между нажимными
шайбами. Зубцы крайних пакетов
листов поверху сварены неплавя-
щимся электродом. Пластины кол-
лектора 4 вырублены совместно с
петушками из полос трапецеидаль-
ного профиля меди с присадкой кад-
мия. Обмотка 10 якоря петлевая
одноходовая с неполным числом
уравнительных соединений первого
рода.
Укладка и закрепление обмотки
в пазах сердечника выполнены по
схеме (рис. 8.12).
Магнитная система собрана в ли-
том стальном корпусе 13 (см. рис.
8.11), выполненном в поперечнике
в виде неравностороннего восьми-
гранника и являющегося также маг-
нитопроводом. На концах корпуса
предусмотрены проемы (люки):
одни — для подачи и выхода охлаж-
дающего воздуха, другие — для ос-
мотра и обслуживания коллектора,
щеткодержателей, щеток и других
внутренних частей в эксплуатации.
По торцам корпуса выполнены флан-
цы с резьбовыми отверстиями и рас-
точкой горловин для посадки и креп-
ления подшипниковых щитов. Полю-
сы магнитной системы (главные 15
215
to
о
Тип электродвигателя Род тока Мощ- ность, кВт Напря- жение, В Ток, А
при на- пряжении наимень- шем наиболь- ший крат- ковремен- ный
наиболь- шем
ЭД118А 305 463 700 720 476 1100
ЭД118БУ1 »х 2 X X к о 305 463 700 720 476 1100
ЭД121АУ1 о С 413 542 750 830 600 1250
ЭД125БУХЛ1 410 536 750 840 600 1200
ЭД126АУХЛ1 445 518 580 950 850 1215
ЭД900У1 Пере- менный 410 820 960 375 285 560
Таблица 8.2
Частота вращения (наиболь- шая), об/мии К.п.д. (наиболь- ший), % Масса, кг Класс изоляции обмоток якоря Парамет- ры ох- лаждаю- щего воз- духа, Па м3/с Система смазки МОП Серии тепловоза
возбуж- дения
2290 91,6 3100 F/F 1570 1,33 Польс- стерная 2ТЭ10, М62, 2ТЭ116, ТЭМ2
2290 91,6 3350 F/F 1570 1,33 Цнрку- ляцион- иая + поль- стерная 2ТЭ116, ТЭ10
2320 91,8 2950 H/F 1373 1,67 МОП нет ТЭП70, ТЭП85
2320 91,1 3250 H/F 1670 1,9 Цирку- ляцион- ная-]- поль- стерная ТЭ116, ТЭ10, ТЭ130
1910 90,4 3400 H/F 3000 2 МОП нет 2ТЭ121, 2ТЭ126, ТЭ136
2470 93,5 2300 Н 2550 1,25 МОП нет 2ТЭ120 (пе- ремен- ного то- ка)
и добавочные //) моноблочной кон-
струкции. Они крепятся к корпусу
болтами: главные — за жесткий про-
дольный стержень, размещенный
в пазу сердечника со стороны якоря,
а добавочные — расположенными
головками со стороны якоря и затя-
нутыми гайками снаружи корпуса
Такая конструкция гарантирует
надежность крепления и долговеч-
ность резьбы, исключает обрыв бол-
тов при затяжке и в эксплуатации.
Головки и гайки снаружи корпуса
залиты кварцкомпаундом 12 на осно-
ве смолы для предотвращения про-
никновения влаги внутрь двигателя.
Рис. 8.11. Тяговый электродвигатель типа ЭД118Б:
а — продольный (ступенчатый) разрез; б- -поперечный (частичный) разрез
217
Рис. 8.12. Схема укладки обмотки якоря
электродвигателя ЭД118Б:
а — укладка в якорь и пластины коллектора урав-
нителей и катушек обмотки; б — размещение ка-
тушек в пазах сердечника; 1— пластины (петушки
пластин) коллектора; 2, 7— верхняя и нижняя
ветви уравнителя; 3, 4— верхняя и нижняя вет-
вн секции катушки; 5, 6— верхняя и нижняя вет-
ви катушек в пазе; 8, 9— шаг по коллектору ка-
тушек и уравнителей; 10, 14— защитная и уплот-
нительные изоляционные прокладки; 11— изоля-
ционная выстилка паза; 12— корпусная изоляция
катушки; 13— проводник секции катушки; 15—
пазовый клнн
Катушки полюсов выполнены из
медных шин: главных — плашмя, до-
бавочных — на ребро. Устройство
полюсов показано на рис. 8.13. Сое-
динение катушек полюсов в магнит-
ной системе выполнено: главных —
изолированными шинами 18 (см. рис.
8.11), изготовленными в виде пакетов
из медных лент и расположенными
со стороны привода, добавочных —
многожильными проводами (кабе-
лями) 25 со стороны коллектора.
Шины и провода в средней части
дополнительно закреплены банда-
жами 26 к скобам корпуса.
Щеткодержатели 5 имеют спираль-
ные ленточные пружины со ступен-
чатой регулировкой нажатия на щет-
ки и крепятся через изоляторы 7 в
разъемных кронштейнах 6, приварен-
ных одной половиной к торцовому
фланцу корпуса электродвигателя.
Подробно устройство щеткодержате-
ля показано на рис. 8.14, а.
Подшипниковые щиты, кроме опо-
ры и центрирования якоря, служат
Рис. 8.13. Устройство полюсов электродвигателя ЭД118Б;
а — главного; б — добавочного; /, 23— сердечник полюса; 2— стержень крепления полюса; 3, 19— вы-
вод катушки; 4— корпус электродвигателя; 5, 21— волнистая пружинная рамка; 6, 16— изоляционный
каркас; 7, 14— корпусная изоляция катушки; 8, 12, 20— рамка изолирующая; 9— изоляционный
заполнитель уступа; 10, 17—межвитковая изоляция; 11, 15—проводники катушки; 13, 24—изоля-
ция сердечника; 18— пластина подпора вывода катушки; 22— немагнитная прокладка; 25— немагнит-
ный опорный уголок
218
Рис. 8.14. Щеткодержатели тяговых электродвигателей:
а — со спиральной ленточной пружиной; б — с рулонной пружиной; в — с винтовой проволочной пру-
жиной; 1, 11, 22— корпуса; 2, 12, 23— болты крепления токопровода щетки; 3, 13, 28— щетки разрезные;
4, 14, 26— амортизаторы; 5, 15, 27, 29— нажимные пальцы; 6, 16, 34— пружины; 7— фиксаторы; 8, 20, 21,
32, 33, 35— оси; 9, 18— изоляционные пальцы крепления щеткодержателя; 10— уплотнитель; 17, 30— на-
жимные рычаги; 19, 24— рифление привалочной (контактной) поверхности; 25— болт крепления щет-
кодержателя к кронштейну; 31— регулировочный винт
торцовыми частями корпуса электро-
двигателя. Они представляют литые
стальные диски со ступицей для по-
садки и буртом для закрытия из-
нутри электродвигателя якорных
подшипников. Снаружи подшипники
закрыты закрепленными к щитам
крышками с лабиринтными уплотне-
ниями, предотвращающими вытека-
ние и загрязнение смазки в эксплуа-
тации. В горловины торцовых флан-
цев корпуса щиты установлены по
плотной посадке и закреплены по
периметру болтами. Смазку в под-
шипники в эксплуатации добавляют
через каналы 22 или трубки (см.
рис. 8.11), закрываемые болтом-
пробкой. Для предотвращения подсо-
са смазки из подшипника внутрь
электродвигателя от разрежения
вблизи выхода охлаждающего воз-
духа из электродвигателя смазочная
камера этого подшипника соединена
каналом 20 с атмосферой. Крышка 30
основного (верхнего) коллекторного
люка закреплена на корпусе с по-
мощью Г-образной бобышки 27 и ры-
чажного пружинного замка 31, а
остальные крышки 23, 40 и щитки
16 — болтами. Все крышки имеют
уплотнители 28 из пористой резины.
Моторно-осевые подшипники слу-
жат опорой электродвигателя на ось
колесной пары тележки. Они вмон-
тированы в специальные разъемные
приливы (выступы) корпуса электро-
двигателя и включают вкладыши 39,
смазочное устройство и крышку 38,
закрепленную болтами 37. Вкладыши
выполнены в виде массивных бронзо-
вых цилиндров, разрезанных по
образующей на две половины. В
средней части одной половины пре-
дусмотрено окно для прохода фитиля
и подвода смазки к трущимся по-
верхностям оси и вкладыша. Рабо-
219
чая поверхность вкладышей залита
баббитом и для лучшего прохода
смазки по длине имеет фигурную
(гиперболическую) расточку. Сма-
зочное устройство включает две неза-
висимые системы смазки: циркуля-
ционную и фитильную (польстер-
ную). Циркуляционная система
смазки осуществляется шестеренным
насосом, приводимым во вращение
от оси колесной пары и подающим
смазку к трущимся поверхностям из
ванны (камеры) 36. Польстерная
система подвода смазки основана на
принципе капиллярности и осущест-
вляется с помощью закрепленного
в обойме хлопчатобумажного фити-
ля 33, один конец которого опущен
в ванну со смазкой, закрытую крыш-
кой 35, а другой проходит через
окно во вкладыше и прижимается
к оси колесной пары пружинно-ры-
чажным устройством 34. Такое ре-
зервирование гарантирует надеж-
ность смазки трущихся поверхностей
во всем диапазоне скоростей движе-
ния тепловозов.
Электродвигатель устанавливает-
ся под кузовом на тележке тепло-
воза и крепится с одной стороны
моторно-осевыми подшипниками на
оси колесной пары, а с другой опи-
рается специальными выступами
(«носиками») корпуса (со сменными
накладками 24 повышенной износо-
стойкости) на раму тележки через
предварительно сжатые распорные
пружины. Такое крепление (подве-
шивание) электродвигателя называ-
ется опорно-осевым.
Электродвигатель охлаждается
воздухом, подаваемым от специаль-
ных вентиляторов тепловоза в рас-
труб (люк) 8, который до установки
электродвигателя на тепловоз зак-
рыт крышкой 9. Охлаждающий воз-
дух проходит двумя потоками: один
над коллектором, сердечником яко-
ря и в зазорах между полюсами
магнитной системы, другой под кол-
лектором, через аксиальные венти-
ляционные отверстия в сердечнике
якоря. Оба потока соединяются в
корпусе электродвигателя со сторо-
220
ны, противоположной коллектору, и
выходят наружу через три радиаль-
ных люка /7, огражденных сетками
29 и щитками 16.
В электрическую схему тепловоза
тяговые электродвигатели включают-
ся выводными концами (проводами)
32 обмоток через поездные контак-
торы. Катушки возбуждения, как и
катушки добавочных полюсов элек-
тродвигателя, включены последова-
тельно с обмоткой якоря. При этом
обмотка добавочных полюсов имеет
постоянное соединение со щеткодер-
жателями (а следовательно, и с об-
моткой якоря) внутри электродвига-
теля. Для обеспечения реверса вра-
щения якоря (и изменения направ-
ления движения тепловоза) начало
и конец обмотки возбуждения имеют
самостоятельные выводы. Общая
схема соединения и маркировки вы-
водов обмоток электродвигателя при-
ведена на рис. 8.15,а.
Эксплуатация и техническое об-
служивание электродвигателей прин-
ципиально отличаются от генерато-
ров только по моторно-осевым под-
шипникам. За моторно-осевыми под-
шипниками необходимы повседнев-
ное наблюдение и уход как за от-
ветственными составными частями
локомотива, обусловливающими бе-
зопасность движения. При этом ос-
новные работы состоят в контроле
нагрева подшипников, наличия и ка-
чества смазки, исправности смазоч-
ных устройств, а также в периоди-
ческом добавлении свежей смазки и
удалении (сливе) конденсата (воды)
из ванн для смазки.
Тяговый электродвигатель
ЭД125БМ. Конструкция электродви-
гателя (рис. 8.16) по ряду составных
частей и сборочных единиц сущест-
венно отличается от ЭД118Б. Якорь
собран на остове, выполненном в
виде трубы и позволяющем более
просто заменить поврежденный вал,
не нарушая целостности всего якоря.
Пластины коллектора стянуты в
монолитное арочное кольцо с по-
мощью пружинного разрезного коль-
ца и гайки (вместо болтов). Обмотка
якоря выполнена из провода боль-
шого сечения с расплющиванием кон-
цов секций (для соединения с кол-
лектором), изоляция полиимидная
класса Н. Щеткодержатели имеют
нажимное устройство с применением
рулонных пружин и крепление в
кронштейнах через рифленые (гре-
бенчатые) привалочные поверхнос-
ти.
Выпускаемые на базе ЭД125БМ
другие модификации электродвигате-
лей отличаются в основном конст-
рукцией смазочного устройства мо-
торно-осевых подшипников или пол-
ным отсутствием последних.
Тяговый электродвигатель ЭД126А.
Электродвигатель предназначен для
грузовых тепловозов.
Корпус 12 электродвигателя (рис.
8.17) выполнен сварным из толсто-
листового проката цилиндрической
формы с опорными площадками и
лапами 20 для установки на раму
тележки без моторно-осевых подшип-
ников (опорно-рамная подвеска).
В торцовые фланцы (с горловинами)
корпуса установлены и закреплены
болтами литые из стали подшипнико-
вые щиты 4 и 15. С внутренней
стороны фланца (у коллектора) зак-
реплена кольцевая поворотная тра-
верса 7 со щеткодержателями (и
щетками) 6 (см. рис. 8.14, в) и
ручным шестеренным приводом 8.
Якорь собран на полом сварно-литом
остове 1, в расточку которого запрес-
сован полый вал 2, через централь-
ное отверстие которого проходит тор-
сионный (податливый) вал привода
колесной пары, соединяемый (через
муфту) с конусным концом 19 поло-
го вала. На остов насажены сердеч-
ник 9, зажатый между обмоткодер-
Рис. 8.15. Схемы соединений обмоток тяговых элект-
родвигателей:
а — четырехполюсных; б — шестиполюсных; в — асинх-
ронных; н, к — начало и конец катушек полюсов; Я1,
Я2— начало и конец обмотки якоря; Д2— конец обмотки
добавочных полюсов; Cl, С2—начало и конец обмотки
последовательного возбуждения у электродвигателей пос-
тоянного тока, а у асинхронных электродвигателей С1,
С2, СЗ— выводные концы фаз обмотки статора; 0— спе-
циальный вывод для системы защиты. Штриховыми ли-
ниями показаны соединения катушек со стороны, проти-
воположной коллектору
221
Рис. 8.16. Тяговый электродвигатель типа ЭД125БМ:
1, 12—подшипники; 2, 11—подшипниковые щиты; 3—коллектор (с разрезным пружинным кольцом);
4— щеткодержатель (с рулонными пружинами и щетками); 5— корпус; 6— добавочный полюс; 7— гер-
метизирующая заливка полюсных болтов; 8— главный полюс; 9— защитный кожух обмотки; 10— защит-
ные жалюзи вентиляционных люков; 13— остов (втулка) якоря; 14— приводной конец вала якоря
Рис. 8.17. Тяговый электродвигатель типа ЭД126А
222
жителями, и коллектор 5, а подшип-
ники якоря 3 и 18 установлены
на полом валу. Обмоткодержатель
со стороны, противоположной кол-
лектору, имеет кольцевой радиаль-
ный бурт 16 для защиты головок
обмотки от повреждений. Магнитная
система выполнена шестиполюсной.
Полюсы закреплены к корпусу про-
ходными болтами // и 13. Катушки
главных полюсов 14 и добавочных
10 намотаны из медной ленты на
ребро. Соединения и маркировка
выводов обмоток выполнены по схеме
(см. рис. 8.15,6), а концы их выве-
дены в общую коробку. Над люками
для выхода охлаждающего воздуха
из электродвигателя закреплены за-
щитные козырьки 17, позволяющие
производить обмыв двигателя струей
воды.
Тяговый электродвигатель ЭД900.
Опытный асинхронный тяговый элек-
тродвигатель (рис. 8.18) для созда-
ваемых мощных грузовых тепловозов
с электрической передачей перемен-
ного тока имеет принципиальное от-
личие по конструкции и рабочим
характеристикам. В сравнении с опи-
санными электродвигателями пос-
тоянного тока он значительно проще
в изготовлении и обслуживании.
Основными сборочными единицами
его являются статор, ротор, подшип-
никовые щиты. Статор включает
литой круглый корпус 6 электродви-
гателя, сердечник 7, набранный из
листов электротехнической стали и
зажатый нажимными шайбами 9,
двухслойную петлевую обмотку 8,
лобовые части катушек которой
закреплены конусными кольцами 5.
Ротор собран на остове 2, выполнен-
ном в виде трубы. Сердечник 3 ро-
тора набран из тонколистовой ста-
ли. В его пазах по внешнему диа-
метру размещена короткозамкнутая
обмотка 11, выполненная в виде
беличьей клетки путем заливки па-
зов и торцов сердечника алюминие-
вым сплавом. Вал 13, подшипнико-
вые щиты 4 и 10 с вмонтированны-
ми в них роликовыми подшипниками
1 и 12 для опоры ротора, а также
система вентиляции аналогичны опи-
санным у ЭД118Б. Электродвигатель
выполнен для опорно-рамной подвес-
ки на тележке и не имеет моторно-
осевых подшипников.
Принцип работы электродвигателя
основан на том, что создаваемое
обмоткой статора вращающееся маг-
нитное поле наводит ток в коротко-
замкнутой обмотке ротора и под дей-
ствием электромагнитных сил приво-
дит ротор во вращение. Принципи-
альная электрическая схема электро-
двигателя приведена на рис. 8.15, в.
Рис. 8.18. Тяговый асинхронный электродвигатель типа ЭД900
223
При эксплуатации электродвигателя
требуется регулярный уход за изоля-
цией и контактными соединениями
выводов обмотки статора, а также за
подшипниками ротора.
8.4. ВОЗБУДИТЕЛИ
И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ
ГЕНЕРАТОРЫ
Возбудители предназначены для
питания постоянным током обмотки
независимого возбуждения тягового
генератора непосредственно или че-
рез выпрямитель (синхронные), а
вспомогательные генераторы — для
питания различных нагрузок собст-
венных нужд тепловоза (заряд акку-
муляторной батареи, питание цепей
управления и освещения, электродви-
гателей привода насосов, вентилято-
ров и др.). Вспомогательные син-
хронные генераторы большой мощ-
ности на новых тепловозах исполь-
зуются для питания асинхронных
электродвигателей, обмотки воз-
буждения тягового генератора и др.
Основные технические данные воз-
будителей и вспомогательных генера-
торов для выпускаемых и эксплуа
тируемых тепловозов приведены в
табл. 8.3.
Возбудители и вспомогательные
генераторы постоянного тока имеют
унифицированную конструкцию. Для
уменьшения габаритных размеров,
массы, а также упрощения монтажа
и привода их на тепловозе они
выполняются в виде двухмашинных
агрегатов с общим валом. Наиболее
распространенными и характерными
по устройству и эксплуатации их
возбудителей и вспомогательных ге-
нераторов являются агрегаты А706Б
и МВТ25/9 + МВГ25/11, подвозбу-
дитель ВС652 и возбудитель ВС650В.
Двухмашинный вспомогательный
агрегат А706Б. Агрегат (рис. 8.19)
включает возбудитель В600 и вспомо-
гательный генератор ВГТ275/120.
Конструкция этих машин имеет не-
которые отличия от описанных ранее.
Так, корпусы 12, 17 со стороны,
противоположной коллектору, строго
224
сцентрированы торцами и жестко
свинчены вместе болтами 15. К
другим торцам корпусов приварены
гнутые ребра 7, 19 и ступицы,
образующие подшипниковые щиты,
закрытые крышками 8. В ступицы
щитов вмонтированы капсулы 2
с подшипниками 1. Якоря 9, 18 обеих
машин собраны на общем валу 20,
а пластины их коллекторов 4 закреп-
лены на втулке посредством опрес-
совки высокопрочной пластмассой 3.
Главные полюсы 13 магнитной систе-
мы возбудителя, кроме катушки не-
зависимого возбуждения 11, имеют
размагничивающую катушку 10. А
добавочные полюсы 14 обеих машин
выполнены в виде моноблоков по-
средством заливки и запечки катуш-
ки с сердечником в эпоксидной смо-
ле. Щеткодержатели 6 (со щетками)
закреплены болтами к кольцевой изо-
ляционной траверсе 5. Соединение
и маркировка выводов обмоток
обеих машин выполнены по схемам,
приведенным на рис. 8.20. Охлажде-
ние агрегата осуществляется
встроенным центробежным вентиля-
тором 16 (см. рис. 8.19), закреплен-
ным на валу между якорями обеих
машин и имеющим лопатки с обеих
сторон несущего диска для забора
охлаждающего воздуха со стороны
коллекторов обеих машин и выброса
его через люки над вентилятором
в месте соединения корпусов.
У применяемых двухмашинных
агрегатов на тепловозах ТЭМ2, ТЭЗ
и некоторых других серий возбудите-
ли типов МВТ25/9 и ВТ275/120
выполнены соответственно с продоль-
но и радиально расщепленными глав-
ными полюсами (рис. 8.21). Сердеч-
ники их имеют насыщаемый участок
со значительно меньшим сечением,
охватываемый дополнительно диф-
ференциальной (встречной) обмот-
кой, по которой протекает ток якоря
тягового генератора. Этим обеспечи-
вается формирование внешней ха-
рактеристики тягового генератора по
гиперболической кривой и постоян-
ство мощности дизеля во всем рабо-
чем диапазоне нагрузки тепловоза.
8 Зак. 4ЦЗ
Машина Тип Род тока Мощ- ность, кВт
Двухмашинные агрегаты: Возбудитель Вспомогательный генератор МВТ25/9 МВГ25/11 В600 ВГТ275/120 ВС652 ВС650В ПСГУ2 М2ПСГУХЛ2 П2КУХЛ2 2П2КУХЛ2 П62М П21М П11М АМВ37-03М АМВ75 4АЖ160М6-02 4АЖ225М6-02 4АЖ200М6-02 Постоянный 5,6 5,75 22,5 12 0,55 26 50 55 25 37 22,7 0,5 0,29 37 75 7,5 45 55
Возбудитель Вспомогательный генератор
Подвозбудитель Возбудитель Стартер-генератор Электродвигатель » > » > » » » > > Перемен- ный синхрон- ный 1 _J
Постоянный
Переменный асинхронный
Таблица 8.3
На- пря- жение, В Ток, А Частота враще- иня наи- большая, об/мин К.п.д. наиболь- ший, % Масса, кг Класс изоляции обмоток Серии тепловоза
при ука- занном напряже- нии наиболь- ший крат- ковремен- ный
75 75 100 115 2000 74 400 F ТЭМ2, ТЭЗ
75 77 75
180 125 160 150 240 1800 83 75,5 660 F ТЭП60, М62, 2ТЭ10
75
ПО 10 — 4000 55 68 F То же и ТЭМ2
215 164 — 3300 76 355 F ТЭ116, ТЭП70,
287 146 ТЭМ7
НО 455 1600 3300 72 800 F ТЭ116, ТЭП70
ПО 800 2000 2000 72 1600 Н ГЭМ7, ТЭП85
ПО 280 1000 81,2 550 Н 2ТЭ121
ПО 400 — 1450 84 550 F ТЭ116, ТЭ130
НО 206 — 2200 87 195 В ТЭ116, 2ТЭ12
75 9,3 — 1350 71,7 35 В Все серии
ПО 4,06 — 1500 65 18,5 В То же
400 56 — 2000 88 225 Н 2ТЭ116
400 — — 1200 90 280 Н 2ТЭ121
400 — — 2000 82 — Н 2ТЭ116
400 — — 2000 90 — Н 2ТЭ116
400 — — 3000 93 — Н 2ТЭ116
Рис. 8.19. Двухмашинный вспомогательный агрегат типа А706Б
Рис. 8.20. Схемы соединений обмоток электромашин агрегата А706Б:
а — возбудителя В600; б — вспомогательного генератора ВГТ275/120; н, к, н1, к1, н2, к2—начало и
конец катушек полюсов; НИ, Н12— начало н конец обмотки независимого возбуждения; Н21, Н22— на-
чало н конец размагничивающей обмотки; Ш1, Ш2— начало и конец обмотки параллельного возбуж-
дения; Я1, Я2— начало и конец обмотки якоря
Стартер-генератор ПС Г. Применя-
ется на тепловозах с электропереда-
чей переменно-постоянного тока.
Используется кратковременно в ка-
честве электродвигателя для пуска
дизеля (с питанием от аккумулятор-
ной батареи) и постоянно — в ка-
честве вспомогательного генератора
для электроснабжения потребителей
собственных нужд тепловоза. Он
представляет собой (рис. 8.22) четы-
рехполюсную электрическую машину
постоянного тока с независимым
возбуждением и самовентиляцией.
Особенностью конструкции стартер-
генератора является наличие пуско-
вой обмотки на главных полюсах
магнитной системы (для работы в
режиме электродвигателя при пуске
дизеля), закрепление пластин на
втулке коллектора с помощью общей
гайки (вместо болтов), выполнение
подшипниковых щитов в виде плос-
ких дисков с окнами, закрытыми
щитками. В остальном конструкция
составных частей и правила эксплу-
атации стартер-генератора анало-
гичны ранее описанным электрома-
Рис. 8.21. Устройство расщепленных полюсов возбудителей:
а — продольного расщепления; б — поперечного расщепления; 1, 7—катушка независимого возбуж-
дения; 2, 10— катушка дифференциальная; 3, 8 н 5, 9— насыщаемый н ненасыщаемый участки сердеч-
ника; 4—катушка параллельного возбуждения; 6—немагнитная (латунная) проставка
8*
227
шинам. Соединение и маркировка
выводов обмоток выполнены по схе-
ме, приведенной на рис. 8.23.
Для некоторых новых мощных теп-
ловозов стартер-генераторы выпол-
няют в виде однокорпусных агрега-
тов из двух одинаковых машин с
якорями на общем валу — 2ПСГ.
Синхронный подвозбудитель ВС652.
Применяется на большинстве тепло-
возов с электропередачей постоянно-
го тока для независимого возбужде-
ния возбудителя тягового генератора
(через выпрямители) вместо ранее
применявшихся агрегатов А703,
А705А и подвозбудителя ГС500А.
Он представляет собой (рис. 8.24)
однофазную четырехполюсную син-
хронную электрическую машину об-
ращенного типа [обмотка возбужде-
ния расположена на полюсах, зак-
репленных к неподвижному корпусу,
а э.д.с. наводится в обмотке вра-
щающегося ротора (якоря) и снима-
ется с контактных колец]. Корпус //
изготовлен из стальной трубы. Он
имеет со стороны контактных колец
монтажно-смотровые окна, закрытые
быстросъемной крышкой, и в нижней
части опорные лапы для установки и
крепления подвозбудителя. Во внут-
реннюю расточку корпуса запрессо-
ван изготовленный из стальной трубы
массивный магнитопровод 10, а к
торцам его закреплены болтами под-
шипниковые щиты 3. Щиты выпол-
нены в виде плоских дисков с окнами,
закрытыми жалюзийными щитками 2
для входа и выхода охлаждающего
воздуха. Полюсы состоят из литого
сердечника 8 и катушки 7. Якорь
собран на валу 13, имеет сердеч-
ник 9 из листов электротехнической
стали, всыпную обмотку 6, соединен-
ную с контактными кольцами 5, и
опирается на подшипники /. Щетко-
держатели (со щетками) 4 закреп-
лены к изоляционной траверсе. Сое-
динение и маркировка выводов об-
моток подвозбудителя выполнены по
схеме, приведенной на рис. 8.25, а.
Охлаждение подвозбудителя осу-
ществляется естественным способом.
Добавление свежей смазки в под-
Рис. 8.22. Стартер-генератор типа ПСГ:
1—коробка выводов обмоток; 2—кольцевой замок быстросъемной крышки люка; 3, 19- • подшипни-
ки; 4— масленка; 5, 18— подшипниковые щиты; 6— кронштейн (бракет); 7— коллектор; 8— щеткодер-
жатели со щетками; 9—корпус; 10—обмотка якоря; 11, 12—катушка и сердечник добавочного по-
люса; 13- сердечник якоря; 14—сердечник главного полюса; 15, 16—катушки пусковая и незави-
симого возбуждения; 17— вентилятор; 20— приводной конец вала якоря
228
Рис. 8.23. Схема соединений обмоток стар-
тер-генератора ПСГ:
н, к, н1, к1— начало и конец катушек полю-
сов; Я1, П2— начало обмотки якоря и конец пус-
ковой обмотки; Н1, Н2— начало и конец обмотки
независимого возбуждения; Д2— конец обмотки
добавочных полюсов; ГГ1— начало пусковой об-
мотки. Штриховыми линиями показаны соединения
катушек со стороны, противоположной коллектору
Я1П2 Н1 Щ П1 Н2
шипники в эксплуатации производит-
ся через шариковую масленку 12
и трубку. В эксплуатации внимание
следует обращать на исправность и
качество привода подвозбудителя,
состояние контактных колец и ще-
точного токосъема, изоляции и
подшипников.
Синхронный возбудитель ВС650В.
Применяется для возбуждения (че-
рез выпрямители) тяговых синхрон-
ных генераторов новых тепловозов
с электропередачей переменно-пос-
тоянного тока. По конструкции
(рис. 8.26), установке и условиям
эксплуатации на тепловозах возбуди-
Рис. 8.24. Синхронный подвозбудитель типа ВС652
229
Рис. 8.25. Схемы соединений обмоток синхронных возбудителей:
а — подвозбудителя ВС652; б — возбудителя ВС650В; н, к — начало и конец катушек полюсов;
С/, С2— начало и конец обмотки якоря; И1, И2— начало и конец обмотки независимого, возбуждения
Рис. 8.26. Синхронный возбудитель типа ВС650В:
1— подшипник; 2, 13— подшипниковые щиты; 3— контактные кольца; 4— щеткодержатели со щетками;
5— соединение обмотки якоря с контактными кольцами; 6, И— обмотка и сердечник якоря; 7, 9— ка-
тушка и сердечник полюса; 8— корпус; 10— стержень демпферной обмотки; 12— вентилятор; 14— при-
водной конец вала якоря
230
тель аналогичен описанному подвоз-
будителю ВС652, но имеет восьми-
полюсное исполнение обмотки воз-
буждения без дополнительного маг-
нитопровода в корпусе. Схема соеди-
нения обмоток возбудителя приведе-
на на рис. 8.25, б.
8.S. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Для привода механизмов собствен-
ных нужд тепловозов применяются
электродвигатели постоянного и
переменного тока общепромышлен-
ного и специального исполнений.
Основные технические данные этих
машин приведены в табл. 8.3. На-
иболее характерными (по конструк-
ции и эксплуатации) из выпускаемых
являются электродвигатели П21М,
2П2К, АМВ37-03М, 4АЖ225.
Электродвигатели малой мощности
серии П. Предназначены для привода
водяного и вспомогательных масло-
прокачивающего и топливоподкачи-
вающего насосов дизеля. Они пред-
ставляют собой двух- (П11, П21) и
четырехполюсные (П41, П62) элек-
трические машины постоянного тока
с последовательным, параллельным
и смешанным возбуждением. Имеют
литые корпуса, подшипниковые щи-
ты, встроенные вентиляторы. Кон-
струкция других составных частей
(рис. 8.27) не имеет принципиаль-
ных отличий от описанных ранее
электромашин. На выпускаемых теп-
ловозах для повышения надежности
применяют электродвигатели мор-
ского исполнения (с индексом «М»),
Все электродвигатели оборудованы
устройством, исключающим радио-
помехи.
Соединение и маркировка выво-
дов обмоток электродвигателей вы-
полнены по схемам, приведенным
на рис. 8.28.
Рис. 8.27. Вспомогательный электродвигатель серии П:
1, 17— жалюзийные крышки люков; 2— коллектор (на пластмассе); 3~ подшипник; 4— пресс-масленка;
5, 14— подшипниковые щиты; 6— щеткодержатели со щетками; 7, 8 - обмотка и сердечник якоря;
9, 10— катушка и сердечник добавочного полюса; //— корпус; 12, 13 — сердечник и катушка главно-
го полюса; 15— вентилятор; 16— приводной конец вала якоря; 18 коробка выводов обмоток
231
Рис. 8.28. Схемы соединений обмоток электродвигателей серии П:
а — типа ПИ; б — типа П21; в — типов П41, П62; н, к, н1, к1—начало и конец катушек полюсов;
Я/— начало обмотки якоря; Ш1, Ш2— начало и конец обмотки параллельного возбуждения; Д2, Д1—
конец и начало обмотки добавочных полюсов; Cl, С2—начало и конец обмотки последовательного
возбуждения
Рис. 8.29. Асинхронный электродвигатель типа АМВ37-03М (мотор-веитилятор МВ11)
232
На некоторых тепловозах взамен
указанных электродвигателей серии
П установлены первые образцы спе-
циально разработанных для желез-
нодорожного транспорта электродви-
гателей ПНЖ, на базе которых
осваиваются электродвигатели новой
серии 4П.
Электродвигатель 2П2К-02. При-
меняется для привода компрессора
некоторых серий тепловозов. Он
представляет собой четырехполюс-
ную электрическую машину постоян-
ного тока; по конструкции составных
частей, а также общей компоновке
и эксплуатации практически не отли-
чается от описанного стартер-гене-
ратора ПСГ.
Электродвигатель АМВ37-03М.
Представляет собой (рис. 8.29) вер-
тикальную трехфазную асинхронную
электрическую машину обращенного
типа с короткозамкнутым ротором
и самовентиляцией. Используется в
качестве мотор-вентиляторов
(МВ11) холодильной камеры тепло-
возов для охлаждения воды и масла
дизеля. С этой целью к массивному
сердечнику (индуктору) 12 ротора,
составляющему основу корпуса элек-
тродвигателя, приварены лопасти
14 осевого вентилятора. Ротор имеет
расположенную по внутренней рас-
точке сердечника короткозамкнутую
обмотку (в виде «беличьей клетки»)
13 из алюминиевого сплава, при-
варенное к торцу сердечника сфери-
ческое днище 10 и вал /, закреплен-
ный болтами 4 за фланец 6 к ступице
5 днища. Он опирается на подшип-
Рис. 8.30. Асинхронный электродвигатель типа 4АЖ.225:
/••• щиток направляющий; 2— вентилятор; .3, 7 - короткозамкнутая обмотка и сердечник ротора;
4. 10 • подшипниковые щиты; 5— корпус; 6, 8 обмотка и сердечник статора; 9 коробка выводов
обмотки статора; //— масленка; 12, 16— фланец и опорные лапы; 13-- выводы обмотки статора;
14 уплотнитель; 15— приводной конец вала ротора
233
ники 8 и 19, насаженные на вал и
вмонтированные во внутренние рас-
точки остова 20 статора. Сердеч-
ник статора 16 набран из листов
электротехнической стали и закреп-
лен на остове между щеками коль-
цевой шпонкой 17. В пазах по внеш-
нему диаметру сердечника размеще-
на обмотка 9, концы которой выве-
дены в коробку 24. К остову ста-
тора закреплено болтами 23 основа-
ние 22, за которое электродвига-
тель крепится на тепловозе. К осно-
ванию закреплен болтами 21 сфери-
ческий кожух 18. Электродвигатель
охлаждается воздухом, который пос-
тупает через отверстия в основании,
проходит по каналам 15 сердечника
статора и выбрасывается через
трубчатые каналы (сопла) 11, распо-
ложенные по окружности в сфери-
ческом днище ротора. Добавление
свежей смазки в подшипники в
эксплуатации производится через
пресс-масленки 2 и 3 и отверстия
в валу, а от вытекания смазка
удерживается уплотнениями крышек
7. Другие типы аналогичных по наз-
начению электродвигателей имеют
подобную конструкцию.
Электродвигатель 4АЖ225. Пред-
ставляет собой (рис. 8.30) асинхрон-
ную трехфазную короткозамкнутую
электрическую машину закрытого
исполнения, выпускаемую специаль-
но для работы на тепловозах. При-
меняется для привода вентиляторов
охлаждения тяговых генераторов и
электродвигателей, выпрямительных
установок и других машин и
устройств. Имеет литые чугунные
корпус и подшипниковые щиты. В
нижней части корпуса выполнены
опорные лапы, а на торце подшип-
никового щита со стороны привода —
фланец для установки и крепления
электродвигателя. Конструкция ста-
тора и ротора аналогична описан-
ной у ЭД900.
Добавление свежей смазки в под-
шипники в эксплуатации производит-
ся через шариковые масленки и спе-
циальные каналы в щитах и крыш-
ках.
234
8.6. АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ
Аккумуляторами называют хими-
ческие источники электрической
энергии многоразового действия,
которые накапливают (аккумули-
руют) электроэнергию при пропуска-
нии через них электрического тока
и затем отдают ее при подключении
к ним внешней нагрузки — электро-
потребителей. Основными частями
аккумуляторов являются положи-
тельный и отрицательный электроды,
погруженные в бак с электролитом.
Принцип действия аккумуляторов
основан на использовании обрати-
мости реакций между электрода-
ми и электролитом, при которых
пропускаемая через аккумулятор
электрическая энергия превращается
в химическую (режим заряда), а
затем химическая — в электричес-
кую (режим разряда). При этом
химически активное (рабочее) ве-
щество на электродных пластинах
сначала превращается в другое хи-
мическое соединение, а затем почти
полностью восстанавливается в пер-
воначальное состояние. В зависимос-
ти от состава применяемых хими-
ческих элементов для электродных
пластин и электролита аккумуляторы
подразделяют на свинцово-кислот-
ные и щелочные. Ряд последова-
тельно соединенных аккумуляторов
образуют батарею, в которой э.д.с.
каждого аккумулятора суммируется.
Основными типами выпускаемых ак-
кумуляторных батарей для теплово-
зов являются свинцово-кислотные
32ТН-450У2, 48ТН-450У2, 48ТН-
350У2 и щелочные 46ТПНЖ-550У2,
46ТПНК-550Т2. Входящие в обозна-
чения типов батарей цифры и буквы
характеризуют следующие техничес-
кие данные батареи: 32, 46, 48 —
количество последовательно соеди-
ненных аккумуляторов в батарее,
шт.; 350, 450, 550 — номинальная
емкость входящих в батарею акку-
муляторов при определенном режиме
разряда, А-ч; Т, ТП — назначение
аккумулятора — тепловозный (пус-
ковой); Н — вид электродных плас-
Таблица 8.4
Тип батареи Номи- наль- ная ем- кость, А-ч Номи- наль- ное на- пряже- ние, В Тренировоч- ный режим разряда Режим пуска дизеля Масса с элек- тролитом, кг
Продолжительность и ток, ч/А Конечное напряже- ние, В, не менее Толчковый разряд Установив- шийся режим Аккумуляторы Батареи
Ток, А | Напряжение, В, не менее 1 Ток, А Напряжение, В, не менее
32ТН-450У2 450 64 10/45 57,6 1700 32 900 46,4 38 1270
48ТН-450У2 450 96 10/45 86,6 1700 48 900 69,6 38 1930
48ТН-350У2 350 96 10/35 86,6 1800 48 800 70 30 1710
46ТПНЖ-550У2 550 57,5 5/110 46 2200 25 900 46 45 2100
46ТПНК-550Т2 550 57,5 5/110 46 2200 25 900 46 48 2220
тин аккумулятора по способу нане-
сения на свинцовую решетку рабо-
чего вещества — намазные; НЖ,
НК — электрохимическая система
аккумулятора: никель-железный, ни-
кель-кадмиевый; У2, Т2 — для уме-
ренного и тропического климата с
размещением в шкафу, кожухе.
Основные технические данные ак-
кумуляторных батарей для выпус-
каемых тепловозов приведены в
табл. 8.4.
Заряд аккумуляторных батарей
при вводе в эксплуатацию произ-
водят от вспомогательного генерато-
ра тепловоза или любого другого
источника постоянного тока при ре-
жимах, приведенных в табл. 8.5.
Свинцово-кислотный аккумулятор
ТН-450. Состоит (рис. 8.31, а) из
блока чередующихся между собой
20 отрицательных и 19 положитель-
ных электродных пластин /, поме-
щенных в эбонитовый бак (сосуд)
2 и опирающихся ножками пластин
на специальные выступы (призмы)
дна бака. Пластины представляют
собой литые решетки из сплава
свинца (95 %) и упрочняющей его
сурьмы (5%), ячейки которых за-
полнены (намазыванием) рабочим
веществом, которым в исходном за-
ряженном состоянии аккумулятора
является оксид свинца (П)РвОг у
положительных и чистый губчатый
свинец Рв у отрицательных пластин.
Смежные пластины разной поляр-
ности разделены сепараторами 3
из ребристого мипласта и стеклово-
локна. Пластины одной полярности
спаяны в отдельные полублоки.
К началу и концу полублоков при-
Таблица 8.5
Тип батареи Напряжение источника тока, В Начальный ток заряда, А Конечный ток заряда, А Напряжение каждого аккумулято- ра в конце за- ряда, В Продолжитель- ность заряда
32ТН-450У2 75 40—50 4—5 2,0 До достижения
48ТН-450У2 110 40—50 4—5 2,0 напряжения у каж-
48ТН-350У2 НО 40—50 4—5 2,0 дого аккумулятора около 2 В
46ТПНЖ-550У2 75 150 — 1,7 До достижения
46ТПНК-550Т2 75 150 — 1,7 напряжения у каж- дого аккумулятора около 1,7 В
235
Рис. 8.31. Аккумуляторы тепловозных батарей:
а— свинцово-кнслотный типа ТН-450; б — щелочной никель-железный типа ТПНЖ-550
паяны выводы 4. Сверху бак закрыт
эбонитовой крышкой 5 с четырьмя от-
верстиями для прохода выводов от
полублоков пластин и пятым цент-
ральным отверстием для заливки
электролита. Крышка по периметру
бака уплотнена заливкой кислото-
стойкой мастикой, а в местах прохода
выводов полублоков пластин — рези-
новыми кольцевыми прокладками.
Центральное отверстие закрыто эбо-
нитовой пробкой 6 с вертикальными
и горизонтальными каналами (для
выхода газов) и отражательным
щитком 7 (для предотвращения вы-
плескивания электролита). Электро-
литом аккумулятора служит раствор
аккумуляторной серной кислоты
H2SO4 в дистиллированной воде
плотностью 1,24—1,27 г/см3, залитый
в аккумулятор до уровня на 15 мм
выше предохранительного изоляци-
онного щитка 7.
При взаимодействии электролита
с рабочим веществом электродных
пластин в процессе действия акку-
мулятора на пластинах протекают
химические реакции по общему урав-
нению:
Pb + PbO2 + H2SO4
2PbSO4 + 2H2O
заряд
или более подробно
Pb + РЬО2 + 4Н+ +2SO42
разряд 2PbSO4-p2H2O.
'заряд
При этом во время заряда часть
электронов атомов с положительных
электродных пластин переходит в
раствор электролита и на пластинах
накапливается электрический потен-
циал до плюс 1,7 В, а часть электро-
нов атомов из раствора электро-
лита переходит на отрицательные
пластины и на них накапливается
потенциал до минус 0,35 В. Общая
э.д.с. заряженного аккумулятора
составляет 2,04—2,1 В. Во время раз-
ряда происходит обратный процесс,
однако разряд следует производить
только до достижения э.д.с. 1,8 В,
236
после чего начинается снижение
прочности и разрушение электродных
пластин.
Зарядка аккумуляторов должна
производиться не позднее чем через
шесть часов после заливки в них
электролита для предотвращения
крупнокристаллической (необрати-
мой) сульфатации электродных плас-
тин. Сульфатация заключается в об-
разовании на поверхности пластин
гидросульфита свинца РЬО«. В на-
чальный период она находится в
высокодисперсном состоянии, но за-
тем образуются крупные кристаллы,
резко повышающие внутреннее соп-
ротивление аккумулятора, препят-
ствующие проникновению электроли-
та к внутренним слоям рабочего
вещества пластин и снижающие ем-
кость аккумулятора. Это явление
наблюдается также при системати-
ческом недозаряде, слишком глубо-
ком заряде, длительном бездействии,
работе аккумулятора с высокой тем-
пературой электролита, загрязнении
или чрезмерной его плотности.
Плотность электролита сущест-
венно зависит от температуры, а
температура его замерзания—от
плотности. Поэтому в летний период
(в районах с теплым климатом пос-
тоянно) плотность электролита
должна быть в пределах 1,24—
1,25 г/см3, а в зимний период в
районах Севера и Сибири ее необхо-
димо повышать до 1,26—1,27 г/см3.
Контроль плотности электролита
производят ареометром в соответ-
ствии с руководством по эксплуата-
ции батареи и тепловоза. Темпера-
тура замерзания электролита при
плотности 1,26—1,27 г/см3 ниже ми-
нус 50 °C. Это обеспечивает работо-
способность тепловозных свинцово-
кислотных аккумуляторных батарей
почти на всей сети железных дорог
СССР практически без утепления
(подогрева). Разряженная батарея
имеет более низкую плотность элек-
тролита и подвержена большей опас-
ности замерзания. Для удобства
транспортировки, монтажа и предо-
хранения от повреждений баков
аккумуляторы комплектуются в сек-
ции по четыре штуки для батарей
32ТН-450У2, 48ТН-350У2 и по три
штуки для батареи 48ТН-450У2. Сек-
ции помещены в деревянные фут-
ляры (ящики). Аккумуляторы в сек-
циях и батареях соединены между
собой медными, покрытыми свинцом
перемычками (пластинами) по схе-
мам, приведенным на рис. 8.32.
Щелочной никель-железный акку-
мулятор ТПНЖ-550У2. Состоит из
блока чередующихся между собой
36 положительных и 34 отрицатель-
ных электродных пластин 11 (рис.
8.31, б), помещенных в стальной бак
14, покрытый внутри щелочестойким
лакокрасочным веществом. Пласти-
ны состоят из заполненных рабочим
веществом стальных никелированных
ламелей-коробочек из перфориро-
ванной ленты толщиной 0,1 мм,
соединенных между собой в замок
и укрепленных с обеих сторон сталь-
ными ребрами с приваренными к ним
контактными планками. Пластины
одной полярности соединены в полу-
блок на шпильке за контактные план-
ки (через промежуточные кольца) и
стянуты гайками либо скреплены
сваркой. Между смежными пластина-
ми различной полярности установлен
перфорированный гофрированный
сепаратор из винипласта или уложен
резиновый шнур. От стенок бака блок
пластин изолирован вставленной по
периметру бака винипластовой плен-
кой. Рабочим веществом положи-
тельных пластин в исходном (заря-
женном) состоянии аккумулятора
является гидроксид никеля (II)
N1OH в смеси с графитом и активи-
рующими добавками, а отрицатель-
ных — восстановленная смесь руды,
оксида железа FeO и активирующих
добавок. Электролитом служит 20-
процентный раствор гидроксида ка-
лия КОН в дистиллированной воде
с добавлением 20 г/л гидроксида
лития LiOH (для увеличения срока
службы аккумулятора) плотностью
1,28 г/см3, залитый в аккумулятор
до уровня на 40—50 мм выше элек-
тродных пластин.
237
6)
Рис. 8.32. Схема соединения аккумуляторов в батареях:
а, б — свинцово-кислотных типов 32ТН-450 и 48ТН-450, 48ТН-350 соответственно; в — щелочной
никель-железной типа 46ТПНЖ-550
В процессе действия аккумулятора
на его пластинах между рабочим
веществом и электролитом происхо-
дят химические реакции:
3Fe + 4NiOH + 4OH
Fe3O4 + 4Ni(OH)2
заряд
или
Fe+ Ni2O3 + 3H2O
разряд
Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2.
При этом во время заряда на плас-
тинах накапливается электрический
потенциал с общей э.д.с. 1,7 В, а
во время разряда происходит обрат-
ный процесс. Но разряд следует
продолжать только до достижения
238
э.д.с. 1,0 В, чтобы не вызвать пов-
реждения Пластин. Температура
электролита при заряде батареи
должна быть не выше 45 °C. При
температуре электролита выше 45 и
ниже 5 °C емкость батареи снижа-
ется вдвое, а при температуре
электролита ниже 0 °C щелочная
батарея неработоспособна, поэтому в
зимнее время должен быть предус-
мотрен ее обогрев. Бак аккумулято-
ра сверху закрыт стальной штампо-
ванной крышкой 13 с четырьмя
отверстиями для прохода выводов
8 от полублоков пластин одной по-
лярности. Выводы изолированы
пластмассовыми кольцами-втулка-
ми 12 и уплотнены резиновыми
кольцами. В центре крышки вварена
трубка 9 с расширяющейся горлови-
ной для заливки электролита. Труб-
ка закрыта откидным клапаном-
пробкой 10 с каналом для выхода
газов. По периметру крышка при-
варена к стенкам бака сплошным
швом. Снаружи бак окрашен, и на
него надет резиновый защитный и
изолирующий чехол. При монтаже
батареи на тепловозе аккумуляторы
устанавливают плотно один к друго-
му и закрепляют от перемещения.
Аккумуляторы в батарее соединяют
медными никелированными перемыч-
ками (шинами) по схеме, приве-
денной на рис. 8.32, в.
Сравнительные показатели раз-
личных видов аккумуляторных ба-
тарей. Применяемые на тепловозах
аккумуляторные батареи по ряду
технических и эксплуатационных
показателей имеют существенные
различия. Так, свинцово-кислотные
батареи имеют в 1,5 раза большее
напряжение, а следовательно, и боль-
шую удельную емкость и мощность
на единицу объема и массы, чем
щелочные. Они работоспособны при
низких температурах. Коэффициент
полезного действия свинцово-кислот-
ных аккумуляторов, определяемый
как произведение отдачи по ем-
кости на отношение средней э.д.с.
при разряде-заряде, в полтора раза
выше, чем щелочных (до 75 % про-
тив 50%). Щелочные никель-же-
лезные аккумуляторы не содержат
вредного для здоровья людей свинца,
более стойки к динамическим воздей-
ствиям (вибрации, тряске) на тран-
спортных установках, менее чувстви-
тельны к перезарядам и коротким
замыканиям, более просты в обслу-
живании и имеют в 2,5—3 раза
больший срок службы, чем свинцово-
кислотные (до 1200 циклов заряд-
разряд против 400 и до 6 лет против
2—3).
На перспективу электротехничес-
кой промышленностью создаются но-
вые типы аккумуляторных батарей
для тепловозов, основными из кото-
рых предусматриваются: свинцово-
кислотные 32ТН-400У2,48ТН-400У2;
щелочные — никель - железная
46ТПНЖК-400П-У2 и никель-кад-
миевая 46ТПНКК-400П-У2. При не-
сколько меньшей (оптимальной для
тепловозов) емкости по сравнению
с выпускаемыми батареями новые
батареи имеют соответственно на
15 и 30 % меньшие массу и габарит-
ные размеры, на 25 и 30 % выше
максимальный (толчковый) ток раз-
ряда, в 1,5—2 раза больше срок
службы, более высокие показатели
безотказности. Баки щелочных акку-
муляторов выполнены из высоко-
прочной щелочестойкой пластмассы.
Размещение и включение в элек-
трическую схему аккумуляторных
батарей на тепловозах. Аккумулятор-
ные батареи на магистральных теп-
ловозах размещают, как правило, в
специальных ячейках под главной ра-
мой по обе стороны топливного
бака или по торцам тепловоза. Это
обеспечивает удобство их монтажа и
обслуживания из кузова тепловоза
либо снаружи прямо с земли. На
маневровых тепловозах батареи раз-
мещают в специальном помещении
(отсеке) за кабиной машиниста.
Для обеспечения требуемого темпе-
ратурного режима в местах установ-
ки батарей предусматривают венти-
ляцию, а в зимний период и утеп-
ление. Щелочные аккумуляторы в ре-
зиновых чехлах дополнительно изо-
лируют от корпуса щелочестойкими
материалами. В электрическую схему
тепловоза батарею включают через
аппаратуру, обеспечивающую разряд
батареи только для питания огра-
ниченного числа необходимых потре-
бителей при неработающем дизеле и
пуска самого дизеля. Во время ра-
боты дизеля батарея должна нахо-
диться в автоматическом режиме
постоянного подзаряда (буферный
режим). При этом должна поддер-
живаться в допустимых пределах
температура электролита, иначе ем-
кость и срок службы батареи резко
снижаются. От перегрузок и корот-
ких замыканий во внешней цепи
батареи защищают плавкими предо-
хранителями или автоматами.
239
8.7. ТРЕБОВАНИЯ
БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
И АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕИ
Монтаж, эксплуатация, обслужи-
вание и ремонт электрических машин
и аккумуляторных батарей теплово-
зов должны проводиться персона-
лом, прошедшим специальную под-
готовку и усвоившим правила тех-
нической эксплуатации и правила
техники безопасности при обслужи-
вании электроустановок и аккумуля-
торов, а также действующие на же-
лезнодорожном транспорте правила
техники безопасности при эксплуа-
тации подвижного состава. Все рабо-
ты на электрических машинах и
аккумуляторных батареях должны
выполняться в строгом соответствии
с руководствами по эксплуатации
и правилами ремонта этих изделий
и тепловозов, на которых они уста-
новлены. На время осмотра и обслу-
живания установленных на тепловоз
электрических машин и аккумулятор-
ной батареи дизель должен быть
остановлен. Перед снятием крышек
или защитных кожухов с монтажно-
смотровых и других люков электри-
ческих машин необходимо убедить-
ся, что они не находятся под напря-
жением. При осмотре и обслужива-
нии внутренних частей электричес-
ких машин, а также аккумулятор-
ных батарей следует пользоваться
переносными осветительными лам-
пами с защитной решеткой и безо-
пасным напряжением (на тепловозе
до 12 В) или ручным аккумулятор-
ным фонарем, обеспечивающими
нормальное освещение места работы.
В процессе работы и испытаний (пос-
ле ремонта или при наладке) элек-
трических машин все предусмотрен-
ные конструкцией защитные крышки
и кожухи на люках должны быть
установлены на свои места и надежно
закреплены. При необходимости ос-
мотра и контроля электрических ма-
шин и аккумуляторных батарей в
процессе работы следует пользовать-
ся индивидуальными защитными
средствами (резиновыми перчатка-
ми, диэлектрическими ковриками,
инструментом с изолированными руч-
ками и др.), имеющими клеймо о
пригодности их к применению. При
этом следует помнить, что неизоли-
рованные части и участки с повреж-
денной изоляцией проводов и других
токоведущих частей создают повы-
шенную опасность поражения элек-
трическим током, и не допускать
прикосновения без защитных средств
к находящимся под напряжением
неизолированным токоведущим час-
тям электроустановок.
При обращении с аккумуляторны-
ми батареями дополнительно должна
соблюдаться повышенная предосто-
рожность от пожаро-, взрыво-,
электро- и химической опасности.
При работе с кислотами, щелочами,
электролитами и в присутствии вы-
ходящих из аккумуляторов газов
персонал обязан пользоваться за-
щитными средствами и спецодеждой.
Необходимо помнить, что пары сер-
ной кислоты раздражают и обжи-
гают слизистые оболочки верхних ды-
хательных путей, а также глаз, а
щелочи как в твердом виде, так и в
виде концентрированных растворов
при попадании на открытые части
тела вызывают сильные ожоги. Сле-
дует также знать и принимать необ-
ходимые меры (действия) при попа-
дании щелочи на кожу или в глаза.
Во всех случаях в первую очередь
следует подробно изучить и строго
выполнять требования инструкции по
эксплуатации конкретного вида
электрооборудования. В местах про-
ведения испытаний электрических
машин, а также заряда и тренировки
аккумуляторных батарей (в том чис-
ле на тепловозах) должны быть выве-
шены соответствующие предупреди-
тельные и инструктивные указания и
обеспечено их строгое соблюдение.
Глава?. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА
9.1. НАЗНАЧЕНИЕ,
КЛАССИФИКАЦИЯ
И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Управление тепловозом в процессе
работы осуществляется, переключе-
ниями в электрических цепях: в си-
ловых цепях генераторов и тяго-
вых двигателей, цепях их возбужде-
ния, в цепях вспомогательных меха-
низмов и системах управления, регу-
лирования и защиты. Эти переклю-
чения выполняются специальными
устройствами — электрическими ап-
паратами.
По назначению и выполняемым
функциям электрические аппараты
тепловозов можно разделить на:
коммутационные аппараты, ос-
новное назначение которых заключа-
ется в замыкании и размыкании
электрических цепей или их пере-
ключении в определенной последо-
вательности (контакторы, рубильни-
ки, групповые переключатели и т. д.);
регуляторы, предназначенные для
автоматического поддержания за-
данного режима работы (например,
регулятор напряжения вспомога-
тельного генератора, реле давления
воздуха и т. д.);
аппараты контроля и защиты, реа-
гирующие на предельные значения
каких-либо параметров или режимов
работы (реле заземления или макси-
мального тока, предохранители
и др.);
резисторы, предназначенные для
регулирования или ограничения нап-
ряжения и тока и поглощения элек-
трической энергии при реостатном
торможении;
вспомогательные аппараты (за-
жимы, соединения, арматура и т. д.).
Аппараты на тепловозах работают
в тяжелых условиях и поэтому к ним,
кроме общих требований надежно-
сти, простоты, взаимозаменяемости
и т. д., предъявляются и особые
требования:
выдерживать тряску (вибрации) в
широком диапазоне частот, ампли-
туд и ускорений. Кроме дополни-
тельных механических нагрузок,
тряска может вызвать самопроиз-
вольное срабатывание аппарата, раз-
регулировать его и ослабить креп-
ления. Конструкция аппарата долж-
на исключать возможность появле-
ния подобных дефектов;
работать при температуре от —50
до +70 °C и относительной влаж-
ности не более 95 % при температу-
ре 25 °C. Поэтому детали аппаратов
должны иметь надежные антикорро-
зионные покрытия, а применяемые
смазки — обеспечивать работоспо-
собность аппаратов;
надежно работать при значитель-
ных колебаниях напряжения в сило-
вой цепи и цепи управления, а также
при колебаниях давления в магистра-
ли сжатого воздуха. Так, на тепло-
возах напряжение силовой цепи мо-
жет меняться от 0 до 900 В. Снижение
напряжения в цепи управления до-
пускается до 80 % от номинального,
а колебания давления сжатого воз-
духа — от 75 до 135 % от номиналь-
ного;
надежно работать при загрязне-
ниях окружающего воздуха пылью,
влагой, парами масла и топлива.
Эти примеси осаждаются на аппара-
тах и нарушают их изоляцию, вы-
зывают повышенный износ движу-
щихся и трущихся деталей, загряз-
няют контактные поверхности.
На конструкцию аппаратов влияют
ограниченные габаритные, размеры
тепловоза.
Основная часть электрических ап-
паратов установлена в специальных
шкафах — высоковольтных (аппа-
241
ратных) камерах и на пульте управ-
ления тепловозом. Основное требова-
ние, предъявляемое к размещению
аппаратов в камерах,— обеспечить
удобство обслуживания и ремонта
при минимальных габаритных раз-
мерах.
Высоковольтные камеры располо-
жены в кузове тепловоза, причем
место установки определяется общей
компоновкой оборудования на тепло-
возе (см. гл. 1). Наилучшим явля-
ется вариант, когда аппаратура уста-
навливается в одной камере (теп-
ловозы ТЭМ2, ТЭЗ, М62), но часто
такое расположение оказывается не-
возможным, и аппаратуру размеща-
ют в двух (тепловозы 2ТЭ10Л и
2ТЭ10В) или даже в трех камерах
(тепловоз 2ТЭ116). Аппараты в ка-
мерах укреплены на металлических
каркасах и соединены между собой
проводами. Провода между аппара-
ми собраны в жгуты и прикрепле-
ны к специальным кронштейнам.
На современных тепловозах в
высоковольтные камеры подают воз-
дух, очищенный от пыли, паров топ-
лива, масла и воды. Такая венти-
ляция камеры улучшает условия
работы электрических аппаратов.
Высоковольтные камеры имеют двери
с электрическими блокировками,
обеспечивающими безопасность об-
служивающего персонала: при от-
крывании двери размыкается блок-
контакт, выключающий контакторы в
цепи возбуждения тягового генера-
тора. Тем самым выключается нап-
ряжение силовой цепи тепловоза.
На пульте управления машинис-
та установлены аппараты, необходи-
мые для управления тепловозом и
контроля условий движения и состоя-
ния оборудования тепловоза. Пульт
управления размещен в кабине теп-
ловоза так, чтобы обеспечить маши-
нисту возможность наблюдения за
путевыми сигналами, состоянием пу-
ти и контрольными приборами, уста-
новленными на пульте. Органы
управления располагают так, чтобы
машинист мог управлять тепловозом,
не вставая с кресла. На пульте
242
управления установлены: контроллер
машиниста, тумблеры для управле-
ния электрической передачей и вспо-
могательными механизмами, тумбле-
ры светосигнальных устройств, кон-
трольно-измерительные приборы ди-
зеля и электрической передачи, сиг-
нальные лампы. Кроме того, на пуль-
те или в непосредственной близости
от него расположены краны тормоз-
ной системы, скоростемер, светофор
локомотивной сигнализации, рукоят-
ка бдительности, автостоп, пульт
управления радиостанцией, клапаны
тифонов и педаль управления песоч-
ницами.
Некоторые аппараты, предназна-
ченные для управления дизелем или
вспомогательными механизмами,
размещают в соответствующих мес-
тах. Так, например, электропневма-
тические вентили для управления
жалюзи холодильника устанавлива-
ют на стенке холодильной камеры,
индуктивный датчик — на регулято-
ре частоты вращения коленчатого
вала дизеля. Осветительную арма-
туру размещают так, чтобы обеспе-
чить равномерное освещение всех
механизмов внутри кузова тепловоза.
Все провода, проходящие внутри
кузова, уложены в специальные зак-
рытые короба, исключающие воз-
можность механических поврежде-
ний и попадания на них топлива
и масла. Там, где это невозможно,
провода защищают гибкими метал-
лическими рукавами. Провода и
кабели, проходящие в раме теплово-
за, например к тяговым электродви-
гателям, пропускают по специальным
трубам — кондуитам.
9.2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
КОНТАКТНЫХ АППАРАТОВ
В общем случае контактный элек-
трический аппарат состоит из сле-
дующих основных частей: контактов,
привода, дугогасящего устройства и
панели. Некоторые аппараты могут
иметь не все перечисленные элемен-
ты (например, реле, как правило, не
имеют дугогасящих устройств, а пре-
дохранители и резисторы — приво-
дов и т. д.).
Контакты. Электрическим контак-
том называется место перехода тока
из одной детали в другую, а сами
детали — контактами. Контакты
являются основными элементами
коммутирующих аппаратов. Электри-
ческое сопротивление в месте пере-
хода (переходное контактное сопро-
тивление) определяет допустимый
ток контактов. Допустимый ток за-
висит от материала и качества об-
работки контактных поверхностей,
наличия окисных пленок на поверх-
ностях контактов и силы, сжимаю-
щей контакты, которая называется
силой нажатия. При токе, большем
допустимого, контакты нагреваются,
контактное сопротивление и Потери
резко возрастают. В результате мо-
жет произойти подплавление или сва-
ривание контактов и выход аппарата
из строя.
Если контакты подвержены уда-
рам при замыкании или действию
электрической дуги при размыкании,
то переходное сопротивление в пер-
вую очередь зависит от силы нажа-
тия. Площадь таких контактов не
играет большой роли, так как на их
поверхности всегда имеются неров-
ности и фактическая площадь каса-
ния определяется силой нажатия.
Для уменьшения контактного сопро-
тивления широко применяют так
называемое притирание контактов.
Различные стадии процесса замы-
кания контактов представлены на
рис. 9.1. При повороте рычага 4
вокруг оси А соприкосновение под-
вижного 2 и неподвижного 1 контак-
тов происходит в точке а. При даль-
нейшем перемещении рычага 4 пру-
жина 3 сжимается, подвижный кон-
такт 2 поворачивается вокруг оси О,
а линия контакта перемещается к
точке б (включенное положение).
Форму подвижного 2 и неподвижно-
го 1 контактов выбирают такой, что-
бы расстояние а'б было больше рас-
стояния а"б (а' и а" — точки на
подвижном и неподвижном контак-
тах, соответствующие точке а). Бла-
годаря этому в процессе включения
аппарата происходит проскальзы-
вание подвижного контакта по
неподвижному — притирание. При
этом с поверхности контактов сни-
мается пленка окисла, несколько
сглаживаются неровности и увели-
чивается поверхность непосредст-
венного контакта. Все это уменьша-
ет переходное сопротивление кон-
тактов.
Надежность и качество контактно-
го соединения во многом зависят
от удельного сопротивления материа-
ла контакта и его окисла, стойкости
к окислению и образованию дуги,
температуры плавления, упругости и
стойкости к истиранию. В качестве
материала контактов чаще применя-
ется медь, имеющая небольшое соп-
ротивление, достаточную механичес-
кую прочность и износостойкость.
Для повышения износостойкости
применяют медь с присадкой кадмия.
Недостаток медных контактов —
сильное образование окислов. Поэ-
тому такие контакты необходимо
периодически зачищать. Серебро и,
главное, его окислы обладают значи-
тельно меньшим сопротивлением, чем
медь. Однако серебро уступает меди
Рис. 9. 1. Последовательность замыкания контактов
243
по дуго- и износостойкости и стои-
мости. Поэтому серебряные контакты
практически непригодны в аппара-
тах, где при размыкании цепи воз-
можно возникновение дуги. Сереб-
ряные контакты в виде тонких плас-
тинок, напаиваемые на медные дер-
жатели, применяют для контактов
в цепях управления и т. д. Широкое
применение находят металлокерами-
ческие контакты (серебряно-кад-
миевые, серебряно-вольфрамовые
и др.), имеющие высокую дуго- и
износостойкость.
У контакторов различают главные
(силовые) контакты, коммутирую-
щие главные (силовые) цепи, и вспо-
могательные (блокировочные), ком-
мутирующие вспомогательные цепи,
которые должны замыкаться (или
размыкаться) одновременно с глав-
ными цепями. В коммутационных
аппаратах чаще всего встречаются
линейные (рис. 9.2, а) или точечные
(рис. 9.2, б) контакты. Первые, как
правило, применяют для главных, а
вторые — для блокировочных кон-
тактов.
Размеры и допустимые нагрузки
контактов выбирают на основе рас-
чета их нагрева и износа. Однако
эти расчеты весьма сложны и приб-
лиженны. Поэтому предварительно
размеры контактов выбирают по
опытным данным, а окончательно
устанавливают на основании испыта-
ний опытных образцов. Основные
параметры, определяющие размеры
контактов: f — удельная сила нажа-
тия, Н/м2; j — плотность тока, А/м2,
или отношения I/F и 1/Ь. Здесь / —
длительный ток, проходящий через
контакты, A; F сила нажатия, Н;
b — ширина контактов, м.
Рис. 9.2. Контакты: а — линейные; б — точечные
244
Эксплуатационное состояние кон-
тактов характеризуется:
силой нажатия, определяемой с
помощью динамометра по усилию,
необходимому для отрыва подвижно-
го контакта при номинальном усилии,
создаваемом приводом;
раствором — минимальным рас-
стоянием между контактами в вык-
люченном положении аппарата;
притиранием — расстоянием, про-
ходимым точкой (линией) контакта
от момента соприкосновения до
окончания движения подвижного
контакта (1—а"б — а'б, см. рис.
9.1, б) ;
провалом — расстоянием, которое
мог бы пройти подвижный контакт
от момента соприкосновения, если
убрать неподвижный контакт.
Нормальным положением любого
аппарата принято считать выключен-
ное. Соответственно с этим разли-
чают контакты замыкающие (разом-
кнутые в нормальном положении)
и размыкающие.
Приводы. Работа большинства ап-
паратов связана с перемещением
подвижных частей, осуществляемым
специальными механизмами — при-
водами. Приводы могут быть непо-
средственные (ручные), электромаг-
нитные, электропневматические и
электродвигательные. Непосредст-
венный привод имеют контроллеры
машиниста, рубильники, выключате-
ли и т. д. Конструкция этих
приводов не требует пояснений.
Электромагнитный привод — это
такой привод, в котором перемеще-
ние подвижных частей создается
за счет притяжения якоря 4 (рис. 9.3)
к сердечнику 3 электромагнита. Маг-
нитный поток, создаваемый катуш-
кой 2 при протекании по ней тока,
замыкается через ярмо /, сердечник
3, якорь 4 и воздушный зазор х. При
отключении тока в катушке аппарат
выключается пружиной 5. Сила при-
тяжения электромагнитного привода
зависит от воздушного зазора х и
магнитодвижущей силы катушки.
Преимуществами электромагнитно-
го привода являются его простота
/ г
х
Рис. 9.3. Схема аппарата с электромаг-
нитным приводом
Рис. 9.4. Схемы пневматических приводов
а — диафрагменного; б—поршневого; 1—рабо
чая камера; 2— крышка; 3—диафрагма; 4— кор
пус; 5— шток; 6— цилиндр; 7— пружина; 8— пор
шень; 9— манжета
и надежность, а недостатками —
относительно небольшие ход и сила
притяжения.
Пневматический привод применя-
ют в тех случаях, когда необходимо
создать большие силы при значитель-
ных перемещениях, т. е. когда элек-
тромагнитный привод становится тя-
желым, громоздким и требует боль-
шого расхода цветных металлов. При
перемещениях до 50 мм применяют
диафрагменные приводы (рис. 9.4, а),
а при больших перемещениях —
поршневые (рис. 9.4,6). Включение
аппарата осуществляется при впус-
ке сжатого воздуха в рабочую ка-
меру 1. Под действием давления
воздуха поршень 8 (или диафрагма
<?) перемещает шток 5, связанный
с подвижным контактом аппарата.
При выпуске воздуха из рабочей
камеры пружина 7 возвращает пор-
шень в исходное положение, выклю-
чая аппарат. Для некоторых аппара-
тов это недопустимо (реверсор, тор-
мозной переключатель, аппараты без
дугогашения и т. д.). В таких слу-
чаях применяют привод, показанный
на рис. 9.5, а или б, который явля-
ется двухпозиционным, т. е. имеет
два фиксированных положения.
Впуск и выпуск воздуха из цилинд-
ров осуществляются электропневма-
тическими вентилями двух типов:
включающими — при протекании то-
ка по катушке вентиль впускает
воздух в цилиндр (рис. 9.6) и выклю-
чающими — при протекании тока по
катушке вентиль выпускает воздух
из цилиндра. На корпус 8 элек-
тропневматического вентиля уста-
новлена катушка 4. Внутри катушки
имеются направляющие гильзы 2 и 6.
Плунжер 3 и клапаны 5 и 7 состав-
Рис. 9.5. Схемы двухпозиционных пневматических приводов:
а рычажного; б — реечного
245
Рис. 9.6. Включающий электропневматический
вентиль
ляют подвижную часть вентиля. При
отсутствии тока в катушке пружина
9 поднимает подвижную часть. При
этом нижний клапан 7 перекрыва-
ет доступ сжатого воздуха из канала
А в цилиндр привода (канал Б), а
верхний клапан 5 сообщает цилиндр
Рис. 9.7. Электромагнитное дугогасящее
устройство
246
привода с атмосферой через канал В.
При протекании тока по катушке
плунжер 3 втягивается в катушку
и опускает подвижную часть. При
этом перекрывается канал В, сооб-
щающий цилиндр с атмосферой, и
открывается канал для доступа сжа-
того воздуха в цилиндр. Кнопка 1
служит для ручного включения вен-
тиля.
К недостаткам пневматических
приводов относятся необходимость
сжатого воздуха для их работы и
трудности эксплуатации и ремонта,
связанные с надежностью уплотняю-
щих устройств как в цилиндрах, так
и в клапанах.
Электродвигательный привод при-
меняют при большом числе позиций,
когда пневматические приводы ста-
новятся слишком сложными и не тре-
буется очень четкая фиксация приво-
да по позициям. На тепловозных
аппаратах такие приводы не при-
меняются.
Дугогасительные устройства. При
размыкании контактов, по которым
протекает ток, неизбежен момент,
когда переходное сопротивление из-
за уменьшения силы нажатия резко
увеличивается, в результате происхо-
дит местный нагрев контактов. Если
сила тока в цепи больше 0,1 А, а
напряжение между разомкнутыми
контактами более 10—20 В, то воздух
между контактами ионизируется —
возникает дуговой разряд. Темпера-
тура дуги достигает 2000—3000 °C,
и поэтому во избежание повреждения
контактов дугу необходимо возмож-
но быстрее погасить. С другой сто-
роны, практически любая электричес-
кая цепь имеет индуктивность и при
разрыве тока в ней возникает э.д.с.
самоиндукции, пропорциональная
скорости изменения тока в цепи. Поэ-
тому при слишком быстром гашении
дуги могут возникнуть опасные
перенапряжения в цепи.
Основное средство гашения дуги—
это увеличение ее длины. При малых
напряжениях и токах дуга гаснет,
когда расстояние между контактами
становится достаточно большим.
Если же разрывают цепи с большим
током, то даже при небольших напря-
жениях для гашения дуги необходим
такой раствор контактов, который
конструктивно трудно осуществить.
В этих случаях в тепловозных ап-
паратах применяют способ магнит-
ного гашения дуги, основанный на
взаимодействии тока в дуге и маг-
нитного поля.
В цепь тока, разрываемого кон-
тактами, включают катушку 1 (рис.
9.7) с сердечником 2, к которому
с двух сторон примыкают стальные
полюсы (щеки) 3. Между полюсами
возникает магнитное поле, направле-
ние которого выбирают так, чтобы
дуга под действием поля перемеща-
лась вправо. При этом дуга перехо-
дит с поверхности контактов на спе-
циальные рога 5 и 6. Ее длина
(тонкие линии на рисунке) увели-
чивается до тех пор, пока дуга не
погаснет. Дуга непрерывно переме-
щается по холодной поверхности
рогов, что также способствует гаше-
нию дуги. Так как дуга возникает
в точке а (см. рис. 9.1) размыка-
ния контактов, то само место контак-
та (точка б) не подвергается дейст-
вию дуги. Между полюсами и дугой
располагаются стенки дугогаситель-
ной камеры 4 (см. рис. 9.7) из
дугостойкого материала (обычно
асбоцемент), которые защищают по-
люсы от оплавления дугой и, отводя
тепло от дуги, способствуют ее гаше-
нию. Дугогасительную камеру часто
разделяют перегородками для более
эффективного гашения дуги.
9.3. КОММУТАЦИОННЫЕ
АППАРАТЫ
На панели / электропневматичес'
кого контактора типа ПК-753 (рис.
9.8) на литом кронштейне 2 укрепле-
ны неподвижный контакт 4 и дуго-
гасительная катушка 3. На этой же
панели установлен цилиндр 16 элек-
тропневматического привода. Пор-
шень 15 привода штоком 13 свя-
зан с рычагом 9, на котором шар-
нирно закреплен подвижный контакт
5 с притирающей пружиной 8. Ток
к подвижному контакту подводится
через гибкий шунт 12. На рычаге
9 установлена изоляционная колодка
10 с подвижными блок-контактами.
Неподвижные блок-контакты 11 ук-
реплены на кронштейне корпуса при-
вода. Силовые контакты 4 и 5 закры-
ваются дуго га си тельной камерой 7
с полюсами 6.
При включении катушки электро-
пневматического вентиля 17 воздух
поступает в цилиндр привода и пере-
мещает поршень вправо. Рычаг 9
поворачивается вокруг оси 0 до мо-
мента соприкосновения контактов.
Дальнейший поворот рычага 9 при-
водит к повороту подвижного кон-
такта вокруг оси 0' и сжатию при-
тирающей пружины 8. При выключе-
нии катушки вентиля 17 под дейст-
вием пружины 14 подвижная часть
контактора возвращается в исходное
положение. Контакторы подобного
типа рассчитаны на ток 1000—1200 А
и напряжение 900—1000 В и приме-
няются на тепловозах всех типов для
подключения тяговых электродвига-
телей к тяговому генератору.
При необходимости одновременно-
го переключения многих цепей целе-
сообразно применять контакторы с
групповым, а не с индивидуальным
приводом. Такие аппараты исполь-
зуют для переключения обмоток
возбуждения тяговых двигателей,
включения шунтирующих резисторов
и т. д.
Реверсорами называют аппараты,
предназначенные для изменения нап-
равления тока в обмотках возбужде-
ния тяговых двигателей. При этом
изменяется направление вращения
якорей двигателей, т. е. направле-
ние движения локомотивов. Реверсор
представляет собой коммутирующий
аппарат с групповым приводом.
На валу 8 реверсора типа ППК-
8601 (рис. 9.9), связанном с диаф-
рагменным приводом, установлены
кулачки 6. Привод выполнен дву-
сторонним, т. е. имеет две камеры,
диафрагмы которых связаны зубча-
247
Рис. 9.9. Реверсор
248
той рейкой, входящей в зацепление
с шестерней вала 8. При впуске
воздуха в одну из камер вал 8 по-
ворачивается на заданный угол,
кулачки 6 через ролики 9 повора-
чивают контактный элемент с рыча-
гом 4, на котором закреплены
подвижные контакты 3 с пружинами
7. Неподвижные контакты 2 уста-
новлены на изолированных стойках
10 и кронштейнах 5. В положении,
показанном на схеме (рис. 9.10, а),
ток проходит от вывода Я Я якоря
тягового двигателя через замкнутые
контакты /, обмотку возбуждения
тягового двигателя К-КК, контакты
4 к тяговому генератору Г (или к
выпрямительной установке ВУ). При
повороте вала реверсора замыкаются
контакты 2 и 3 (рис. 9.10,6) и нап-
равление тока в обмотке К-К К изме-
няется на обратное. Схема включе-
ния реверсора на тепловозах пока-
зана на рис. 9.10, в. Управление
реверсором осуществляется специ-
альной рукояткой контроллера ма-
шиниста. Реверсор не имеет дугога-
сящих устройств, и поэтому переклю-
чение его допустимо лишь при отсут-
ствии тока в цепи тяговых двига-
телей.
Групповой контактор типа
ПКГ-560, предназначенный для под-
ключения резисторов ослабления
возбуждения тяговых двигателей,
показан на рис. 9.11. При вклю-
чении электропневматического вен-
тиля 1 воздух поступает в камеру
под диафрагмой 9 и шток 8 с уста-
новленными на нем контактодержа-
телями 2 перемещается вверх. Под-
вижные контакты 6 с пружинами
7 замыкают неподвижные контакты
5, установленные на изоляторах на
стойках 3. Контакты выполнены из
металлокерамики СОК-15 (15% се-
ребра и 85 % окиси кадмия), имею-
щей низкое переходное сопротивле-
ние, что имеет большое значение,
так как сопротивление резисторов
ослабления возбуждения невелико и
переходное сопротивление контактов
Рис. 9.11. Электропневматически й группо-
вой контактор
249
может быть соизмеримо с ним. Чис-
ло контактных групп определяется
количеством параллельных цепей тя-
говых электродвигателей. При вы-
ключении вентиля 1 камера под
диафрагмой сообщается с атмосфе-
рой и шток 8 под действием пружины
4 возвращается в исходное положе-
ние.
Контакторы такого типа применя-
ются на тепловозах 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В,
2ТЭ116, ТЭП60, ТЭП70, ТЭП75 и др.
На скобе 1 электромагнитного
контактора КПВ-504 (рис. 9.12),
которая одновременно служит и маг-
нитопроводом, установлена изоля-
ционная планка 2. На ней укреплены
дугогасящая катушка 5, дугогасящая
камера 3 с полюсами 4 и неподвиж-
ный контакт 6. На якоре 9 установ-
лен подвижный контакт 7 с прити-
рающей пружиной 10, к кронштейну
которого прикреплен дугогаситель-
ный рог 8. На скобе 1 установлены
блок-контакты 11. Включение кон-
тактора осуществляется катушкой
12, а выключение — пружиной 10,
а также под действием веса подвиж-
ных частей.
Контакторы типа КПВ использу-
ются в цепях пуска дизеля и пред-
назначены для коммутации относи-
тельно больших токов. Для коммута-
ции вспомогательных цепей (возбуж-
дения тягового генератора, питания
электродвигателя масляного насоса
и т. д.) используются контакторы
типа ТКПМ (рис. 9.13). Контактор
имеет катушку 12 с сердечником,
укрепленную на изоляционной основе
1. При прохождении тока в катушке
подвижный якорь 9 притягивается
к сердечнику катушки и замыкает
подвижный 7 и неподвижный 6 кон-
такты. Притирающий ход контактов
обеспечивается пружиной 11, а вы-
ключение — пружиной 10. Контактор
имеет дугогасящую камеру 8 с полю-
Рис. 9.12. Электромагнитный контактор КПВ-504
250
сами 5 и рогами 4 и дугогася-
щую катушку 2 с сердечником 3.
Все элементы контактора собраны на
панели 13. Контакторы типа ТКПМ.
могут иметь одну или две пары сило-
вых контактов.
Реле управления служат для ком-
мутации цепей управления теплово-
за. На тепловозах применяют реле
типа Р45М (рис. 9.14). На панели 1
установлена катушка 3 с сердечни-
ком 4 и магнитопроводом 2, на
кронштейне 6 которого закреплен
якорь 5 с подвижным контактом
10. Неподвижный контакт 9 установ-
лен на стойке 12. Пружина И слу-
жит для притирания контактов. Реле
может иметь замыкающие (разом-
кнутые в выключенном положении
реле) и размыкающие (замкнутые
в выключенном положении реле)
контакты пальцевого или мостиково-
го типа. При включении якорь при-
тягивается к сердечнику и контакты
замыкаются (или размыкаются).
Реле выключается пружиной 8, на-
тяжение которой регулируется бол-
том 7. На тепловозах последних
выпусков устанавливаются реле типа
ТРПУ1 (рис. 9.15), имеющие мень-
шие габаритные размеры и большее
количество контактов. Реле имеет
катушку 1, якорь 2 и контакты 3.
Контроллер машиниста, служащий
для дистанционного управления
электрической передачей, частотой
вращения коленчатого вала дизеля
и изменения направления движения,
относится к коммутационным аппа-
ратам с ручным приводом. Основ-
ным элементом контроллера является
контактная группа, состоящая из
кулачковых контакторов (рис.
9.16, а).
На изоляционных стойках 1 и 8
установлены рычаг 2 с подвижным
контактом 6 и неподвижный кон-
такт 7. На вал 10 насажен пласт-
массовый прессованный кулачок 9.
Ролик 4 рычага 2 прижимается к
образующей кулачка пружиной 3.
Пружина 5 обеспечивает притира-
ние контактов.
Число контактных групп опреде-
Рис. 9.13. Электромагнитный контактор типа
ТКПМ
Рис. 9.14. Реле управления типа Р45М
Рис. 9.15. Реле управления типа ТРПУ1
251
ляется количеством цепей, которые
должны коммутироваться контролле-
ром.
Контроллеры имеют две рукоятки,
связанные с кулачковыми валами
зубчатыми передачами. Главная ру-
коятка имеет 15 или 16 рабочих по-
зиций и одну (нулевую) позицию
холостого хода. Фиксация позиций
осуществляется с помощью храпово-
го механизма (рис. 9.16,6).
Кроме того, имеется съемная ре-
версивная рукоятка, при помощи ко-
торой устанавливают направление
движения локомотива. Реверсивная
рукоятка обычно имеет три положе-
ния («вперед», нулевое и «назад»)
и сблокирована так, чтобы ее можно
было перевести из нулевого положе-
ния в рабочее только при нулевом
положении главной рукоятки. Это
исключает возможность реверсиро-
вания тяговых двигателей при вклю-
ченной силовой цепи. Реверсивная
рукоятка может быть снята также
только в нулевом положении, при
этом главная оказывается запертой.
При наличии на локомотиве одной
реверсивной рукоятки такая блоки-
ровка исключает возможность одно-
временного управления локомотивом
с двух постов.
К коммутационным аппаратам с
ручным приводом относятся рубиль-
ники, тумблеры, переключатели и др.
Их конструкция достаточно проста
и не нуждается в специальных пояс-
нениях.
9.4. АППАРАТЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Регуляторы напряжения. На теп-
ловозах питание цепей управления
и освещения и подзаряд аккумуля-
торных батарей осуществляются от
вспомогательных генераторов, часто-
та вращения якоря и нагрузка ко-
торых изменяются в широких преде-
лах. Для поддержания напряжения
этих машин постоянным применяют
регуляторы напряжения, принцип
работы которых основан на измене-
нии тока возбуждения генераторов.
Регулятор напряжения типа ТРН-1
(рис. 9.17) имеет неподвижную ка-
тушку 21 и две подвижные: напря-
жения 15 и токовую 3. Подвижные
катушки размещены на латунном
каркасе 5, привернутом к шайбе 6
с компенсирующим винтом 14. С шай-
бой через стойки 7 связана тексто-
литовая планка 13, на которой уста-
новлена алюминиевая планка 8,
252
имеющая наклонную верхнюю часть
с подвижными контактами 9. На кон-
цах планки 13 закреплены две
шпильки 4, через втулки 1 связан-
ные с пружинами 2. Передняя
шпилька 4 соединена с противове-
сом 23. Вся подвижная система
подвешена на четырех пластинчатых
пружинах 18 и двух винтовых пружи-
нах 2. Пружины стремятся поднять
подвижную систему вверх, а сила,
возникающая при взаимодействии
подвижной и неподвижной катушек,
действует в противоположном нап-
равлении.
Над контактной планкой 8 нахо-
дятся неподвижные пальцы 10, на-
жатие которых регулируется пружи-
нами 11. С контактами через выводы
12 соединены секции резистора,
включенного последовательно с об-
моткой возбуждения вспомогатель-
ного генератора. Магнитная система
регулятора состоит из сердечника 19,
связанного с наружным стаканом 20
через основание 22. К стакану кре-
пится корпус 17. На сердечник 19
навернут полюс 16.
Схема включения регулятора пока-
зана на рис. 9.18. Неподвижная
катушка 21 включена на напряже-
ние вспомогательного генератора
через резистор R2, а катушка напря-
жения 15 — через потенциометр об-
ратной связи R3. Токовая катушка 3
включена последовательно с обмот-
кой возбуждения вспомогательного
генератора, ее магнитный поток нап-
равлен навстречу потоку катушки
напряжения.
При перемещении подвижной сис-
темы подвижные контакты, замыкая
или размыкая неподвижные контак-
ты, изменяют сопротивление резис-
тора R1, т. е. и ток возбужде-
ния. Если напряжение вспомога-
тельного генератора увеличивается,
то в результате увеличения силы
взаимодействия неподвижной и под-
вижной катушек подвижная система
опускается вниз, размыкая пальцы
и увеличивая сопротивление в цепи
обмотки возбуждения. При умень-.
шении напряжения происходит об-
ратный процесс. Для увеличения
чувствительности регулятора потери
на трение в подвижной системе мак-
симально уменьшены, что в сочета-
нии с относительно большой массой
подвижных частей может приводить
к появлению устойчивых колебаний
напряжения вспомогательного гене-
ратора. Для обеспечения устойчи-
вой работы регулятора предусмотре-
на электрическая и магнитная обрат-
ная связь. Электрическая обратная
связь обеспечивается за счет вклю-
чения катушки 15 через потенцио-
метр R3. Если, например, напряже-
ние вспомогательного генератора
увеличивается, то в результате взаи-
модействия катушек 15 и 21 увели-
чивается и сопротивление резистора
R1, а потенциал точки а уменьшает-
ся. В результате уменьшается ток ка-
Рис. 9.17. Регулятор напряжения ТРН-1
253
Рис. 9.18. Схема включения регулятора
напряжения ТРН-1
тушки 15, т. е. замедляется пере-
мещение подвижной системы. При
уменьшении напряжения генератора
происходит обратный процесс.
Магнитная обратная связь обес-
печивается токовой катушкой: при
увеличении тока возбуждения, ког-
да напряжение генератора, т. е. и си-
ла взаимодействия катушек напря-
жения начинает возрастать, токовая
катушка размагничивает катушки
напряжения, сглаживая нарастание
усилия. Латунный каркас 5 (см.
рис. 9.17) также служит магнитным
демпфером, так как при перемеще-
ниях катушек в нем возникают вих-
ревые токи, препятствующие этому
перемещению.
К недостаткам регуляторов типа
ТРН-1 и других конструкций, осно-
ванных на изменении сопротивления
в цепи обмотки возбуждения, от-
носится наличие вибрирующих кон-
тактов и подвижных частей, в ре-
зультате чего эти регуляторы требу-
ют постоянного ухода и частых ре-
монтов в эксплуатации.
Регуляторы, выполненные на базе
полупроводниковых приборов, лише-
ны этих недостатков. Принципиаль-
ная схема тиристорного регулятора
напряжения БРН-3, устанавливаемо-
го на тепловозах типа ТЭ10, предс-
тавлена на рис. 9.19, а. Последова-
тельно с обмоткой возбуждения
Ш1—Ш2 вспомогательного генера-
тора ВГ включен силовой тиристор
УД1. При замыкании блок-контакта
РУЗ напряжение аккумуляторной
батареи Б подается к аноду тиристо-
ра УД1 и через резистор R2, диод
Д1 и управляющий электрод тиристо-
ра УД1 проходит ток — тиристор
УД1 включается. При этом по обмот-
ке возбуждения Ш1—Ш2 проходит
максимальный ток, определяемый
напряжением батареи Б и сопротив-
лением этой обмотки.
Одновременно конденсатор С заря-
жается по цепи: плюс батареи Б,
резистор R1, конденсатор С, тиристор
УД1, минус батареи Б. Как только
напряжение на конденсаторе дости-
гает напряжения пробоя стабилит-
рона СТ1, через управляющий элек-
трод вспомогательного тиристора
УД2 проходит ток. Тиристор УД2
открывается, и начинается разряд
конденсатора по цепи: плюс конден-
сатора С, тиристоры УД2 и УД1, ми-
нус конденсатора С. Ток разряда
конденсатора противоположен по
направлению току возбуждения вспо-
могательного генератора ВГ, проте-
кающему через тиристор УД1.
При достаточной емкости конден-
сатора С наступит момент, когда
ток, проходящий через тиристор УД1,
Рис. 9.19. Тиристорный регулятор напряжения БРН-3
254
станет равным нулю и тиристор зак-
роется. Конденсатор С станет заря-
жаться обратной полярностью (на
схеме показано в скобках) по цепи:
плюс батареи Б, обмотка Ш1—Ш2,
конденсатор С, тиристор УД2, минус
батареи Б. В этот период времени ток
в обмотке Ш1—Ш2 поддерживается
за счет э.д.с. самоиндукции, замы-
кающейся через диод Д2. Когда
напряжение на конденсаторе С воз-
растает до определенного значения,
тиристор УД1 вновь откроется.
Таким образом, образуется колеба-
тельный контур,в котором тиристоры
УД1 и УД2 поочередно включаются
и выключаются — так называемый
мультивибратор. Частота переклю-
чений зависит от емкости конден-
сатора С, сопротивления резистора
R1 и напряжения пробоя стаби-
литрона СТ1. Описанный процесс
продолжается до тех пор, пока нап-
ряжение вспомогательного генерато-
ра не достигнет заданного значения.
В этот момент стабилитрон СТ2,
включенный через потенциометр R3
на напряжение вспомогательного ге-
нератора ВГ, станет пропускать ток
через базу транзистора Т1 по цепи:
плюс вспомогательного генератора
ВГ, потенциометр R3, стабилитрон
СТ2, эмиттер-базовый переход Т1,
минус генератора ВГ. Сопротивле-
ние цепи коллектор—эмиттер тран-
зистора Т1 резко снижается, и в оче-
редной период колебаний ток про-
ходит через резистор R2 и транзистор
Т1, минуя управляющий электрод
тиристора УД1. Тиристор УД1 оста-
ется в выключенном состоянии, и
колебательный процесс прекращает-
ся. В результате уменьшается ток,
протекающий по обмотке Ш1—Ш2,
а следовательно, и напряжение вспо-
могательного генератора. Когда нап-
ряжение, приложенное к стабилит-
рону СТ2, станет меньше напряжения
пробоя, ток через базу транзистора
Т1 прекратится, сопротивление
транзистора резко возрастет и ток
снова пройдет через управляющий
электрод тиристора УД1 — колеба-
тельный процесс восстановится.
Форма напряжения, прикладыва-
емого к обмотке Ш1—Ш2, показана
на рис. 9.19,6. Очевидно, среднее
значение напряжения, а значит, и
тока возбуждения будет зависеть от
времени включенного состояния ти-
ристора УД1:
at,
где Uът—напряжение вспомогательно-
го генератора (или батареи Б); /з—
время открытого состояния тиристора
УД]; ti—время работы мультивибра-
тора; q — число колебаний за время
Л; С — время, когда мультивибратор не
работает.
Реле перехода (РП). Для авто-
матического управления переключе-
нием тяговых двигателей и включе-
ния контакторов ослабления возбуж-
дения тяговых двигателей использу-
ются реле перехода. Переключения
в силовой цепи должны происходить
в определенных точках внешней ха-
рактеристики тягового генератора,
т. е. при определенных соотноше-
ниях напряжения и тока тягового
генератора. Поэтому реле перехода
типа Р-42Б имеет две катушки: ка-
тушку напряжения 6 с сердечни-
ком 4 (рис. 9.20, а) и токовую
катушку 17 с сердечником 1. Якорь
10 реле может качаться на оси 2,
закрепленной на кронштейне И.
На якоре установлены плунжеры
9 и /6 и подвижные контакты 8 и
15. Неподвижные контакты 7 и 14
закреплены на изоляционной планке
13. Якорь удерживается в выключен-
ном положении пружиной 12, а про-
тивовес 3 уравновешивает подвиж-
ную систему реле и уменьшает влия-
ние тряски при движении тепловоза
на работу реле. Все элементы реле
смонтированы на общей панели 5.
Катушка напряжения реле через
резистор R2 (рис. 9.20, 6) включе-
на на напряжение Ur тягового гене-
ратора Г, и ее намагничивающая
сила пропорциональна Ur. Токовая
катушка через резистор R1 включе-
на параллельно обмотке ДП доба-
вочных полюсов тягового генератора,
255
и ее магнитодвижущая сила про-
порциональна току тягового генера-
тора. Сила, создаваемая магнитным
потоком катушки напряжения, стре-
мится притянуть плунжер этой ка-
тушки к сердечнику и включить реле,
а сила, создаваемая магнитным пото-
ком токовой катушки, и сила натяже-
ния пружины — выключить реле.
При движении тепловоза ток тяго-
вого генератора может уменьшать-
ся (увеличение скорости) или уве-
личиваться (уменьшение скорости).
В первом случае сила, создаваемая
токовой катушкой, уменьшается, а
катушкой напряжения — увели-
чивается. При определенных соотно-
шениях этих сил, а значит, тока и
напряжения тягового генератора
плунжер катушки напряжения при-
тягивается к сердечнику и реле
включается, замыкая контакты. При
этом подается импульс на переклю-
чение тяговых двигателей с одного
соединения на другое (например, с
последовательного на последова-
тельно-параллельное) или включение
контакторов ослабления возбужде-
ния. При уменьшении скорости про-
исходят обратные процессы.
Реле перехода выполняют с не-
большим коэффициентом возврата,
т. е. ток включения реле должен
быть значительно больше тока вы-
ключения, иначе неизбежна неустой-
чивая работа реле. Действительно,
при переходе, например, на ослаб-
ленное возбуждение магнитный по-
ток тяговых двигателей уменьшает-
ся, а их ток, а значит, и ток тягового
генератора увеличивается. Напряже-
ние тягового генератора при этом
снижается по его внешней характе-
ристике. Следовательно, после вклю-
чения реле перехода ток в его катуш-
ке напряжения уменьшается, а в то-
ковой — увеличивается. Если бы ре-
ле перехода имело большой коэффи-
циент возврата, то оно неизбежно
должно было бы выключиться. Это
соответствовало бы обратному пере-
Рис. 9.20. Реле перехо-
да Р-42Б
256
ходу на полное возбуждение и, если
скорость движения не изменилась,
новому включению реле. Таким обра-
зом, наступил бы режим периоди-
ческого включения и выключения
реле — так называемая звонковая
работа.
Необходимый коэффициент воз-
врата обеспечивается изменением за-
зора между плунжерами и сердечни-
ками реле при его переключениях.
В выключенном положении реле
зазор между плунжером и сердечни-
ком токовой катушки равен нулю,
а катушки напряжения — 3 мм. Сле-
довательно, для создания магнитно-
го потока и силы, необходимой для
включения реле, требуется достаточ-
но большой ток в катушке напря-
жения. После включения реле зазор
между сердечником и плунжером
катушки напряжения равен нулю,
а токовой — 3 мм. Значит, реле мо-
жет удерживаться во включенном
положении при значительно меньшем
значении тока в катушке напряже-
ния. Для реле перехода, применяе-
мых иа тепловозах, коэффициент
возврата равен 0,15—0,16. Реле пере-
хода регулируют изменением натяже-
ния пружины. Кроме того, на тепло-
возе моменты включения и выклю-
чения реле могут изменяться подбо-
ром сопротивлений резисторов R1 и
R2.
На тепловозах 2ТЭ116 применяют
реле перехода типа РД-3010 (рис.
9.21), имеющие более простую кон-
струкцию и меньшие габаритные раз-
меры. Это реле также имеет катушку
напряжения 1 и токовую 5, между
которыми размещен якорь 3 реле.
Катушки закреплены на общем маг-
нитопроводе 13 и имеют сердечники
2 и 4, причем сердечник токовой
катушки с помощью винта 6 может
перемещаться для изменения воз-
душного зазора между якорем и сер-
дечником. Якорь крепится на оси
10, установленной на стойке 9,
и удерживается в выключенном поло-
жении пружиной 12. Подвижные кон-
такты 8 закреплены на якоре реле,
а неподвижные 7 — на изоляционной
Рис. 9.21. Реле перехода РД-3010
планке, установленной на магнито-
проводе. Контактная группа и часть
якоря с пружинами закрыты кожу-
хом 11. Принцип действия реле ана-
логичен реле Р-42Б.
При неработающем дизеле на теп-
ловозе питание цепей управления
и освещения осуществляется от ак-
кумуляторной батареи, а при рабо-
тающем дизеле — от вспомогатель-
ного генератора (ВГ). Вспомога-
тельный генератор должен быть под-
ключен к цепи управления, если его
напряжение на 1 —1,5 В больше нап-
ряжения батареи. При напряжении,
равном или меньшем, чем напря-
жение батареи, питание цепей управ-
ления должно осуществляться от ба-
тареи. При этом должен исключаться
разрядный ток батареи через вспомо-
гательный генератор. Для выполне-
ния этих функций на тепловозах
использовалось реле обратного тока
и электромагнитный контактор. На
современных тепловозах эта задача
решается с помощью полупроводни-
кового диода Д, включенного по схе-
ме рис. 9.22. Если напряжение (УБА
батареи Б больше напряжения t/Br
вспомогательного генератора, то
К цепям
управления
и освещения
Рис. 9.22. Схема включения диода в качестве
реле обратного тока
257
9 Зак. 443
диод Д заперт и ток разряда от-
сутствует. Если UBr> <7ба, то диод
пропускает ток и цепи управления
получают питание от вспомогатель-
ного генератора ВГ.
9.5. АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ
Реле заземления служит для сня-
тия напряжения в силовой цепи
при пробое изоляции на корпус.
При работе электрической передачи
замыкание на корпус может быть
вызвано пробоем изоляции или дру-
гими причинами. Замыкание на кор-
пус на тепловозе само по себе
не может вызвать изменений в работе
электрического оборудования. Одна-
ко если произойдет еще одно замы-
кание на корпус, то это может
привести к тяжелой аварии. Поэтому
на тепловозах устанавливают реле
заземления РЗ.
Реле, смонтированное на панели 1
(рис. 9.23, а), имеет катушку 3, маг-
нитопровод 6 и якорь 5. Якорь
удерживается в выключенном поло-
жении пружиной 8. Натяжение пру-
жины, а значит, и ток включения
реле регулируют болтом 7. На якоре
установлен подвижный контакт 9.
Стойка 11 неподвижного контакта 10
укреплена на панели реле. Во вклю-
ченном положении якорь реле удер-
живается защелкой 4 с пружиной 2.
Схема включения реле показана
на рис. 9.23, б. При пробое изоля-
ции на корпус, например в точке А,
часть тока генератора проходит по
цепи: плюс генератора Г, место про-
боя А, корпус тепловоза, катушка РЗ,
ограничивающий резистор СРЗ, ми-
нус генератора Г. Реле включается
и своими контактами разрывает цепи
катушек контакторов, выключающих
возбуждение возбудителя и тягово-
го генератора Г. В результате пол-
ностью снимается напряжение тяго-
вого генератора. При этом ток в ка-
тушке РЗ исчезает, но защелка ис-
ключает возможность выключения
реле, так как повторное толчковое
включение напряжения генератора Г
приводит к тяжелым последствиям.
К недостаткам такой схемы вклю-
чения реле следует отнести отсут-
ствие защиты значительной части
силовой цепи со стороны минуса
главного генератора из-за малой
величины падения напряжения на
этой части цепи. Дело в том, что
для ограничения тока через катушку
реле при пробое изоляции последо-
вательно с катушкой включен огра-
ничивающий резистор СРЗ.
258
Рис. 9.24. Реле боксования
Поэтому реле может сработать
только в том случае, если потен-
циал в точке пробоя изоляции от-
носительно корпуса не менее 80—
90 В. В результате обмотки главных
полюсов электродвигателей, ревер-
соры, контакторы и резисторы ослаб-
ления возбуждения оказываются не
защищенными в случае пробоя изо-
ляции.
Реле боксования служит для обна-
ружения боксования колесных пар
тепловоза, воздействия на электри-
ческую передачу с целью подавле-
ния возникшего боксования и сигна-
лизации машинисту о его возникно-
вении.
Реле боксования (рис. 9.24, а)
имеет катушку 2 с сердечником
13, закрепленную на магнитопроводе
3. На оси 7 устанавливается якорь
8 с плунжером 12 и подвижным
контактом 5. Положение плунжера
регулируется винтом 9. Якорь удер-
живается в выключенном положе-
нии пружиной И с регулировочным
винтом 10. Неподвижные контакты
4 и 6 установлены на общей стойке.
Три реле боксования, смонтирован-
ные на общей панели 1, образуют
блок боксования.
9*
Принцип обнаружения возникшего
боксования основан на сравнении
напряжений или токов тяговых дви-
гателей боксующей и небоксующей
колесных пар. При увеличении час-
тоты вращения колесных пар (воз-
никновении боксования) и последо-
вательном соединении двух или более
тяговых двигателей напряжение на
двигателе, связанном с боксующей
колесной парой, увеличивается, а на
двигателе, соединенном с ним после-
довательно,— уменьшается. В диаго-
нали моста, образованного якорями
двигателей 1 и 2 и резисторами
СРВ (рис. 9.24,6), создается раз-
ность потенциалов и реле РБ вклю-
чается. При параллельном соедине-
нии тяговых двигателей (рис. 9.24, в)
катушка реле РБ включена между
выводами ЯД якорей тяговых двига-
телей. При боксовании одной из ко-
лесных пар ток якоря связанного с
ней тягового двигателя уменьшается
и потенциал в точке а (или 6) также
уменьшается (уменьшается падение
напряжения на обмотках главных ГП
и добавочных ДП полюсов). Под
действием разности потенциалов
между точками а и б по катушке
проходит ток и реле включается.
259
Рис. 9.25. Схема включения реле боксо-
вания
Схемы обнаружения боксования,
основанные на сравнении напряже-
ний или токов тяговых двигателей,
имеют общий недостаток: при одно-
временном боксовании с равными или
близкими скоростями колесных пар,
двигатели которых контролируются
одним реле, боксование обнаружить
невозможно. Действительно, и в схе-
ме рис. 9.24, б, и в схеме рис. 9.24, в
при одновременном боксовании ко-
Рис. 9.26. Термореле типа КРД-2
лесных пар разность потенциалов в
точках а и б не возникает и реле не
включается. Поэтому на тепловозах
2ТЭ116 и 2ТЭ10В используется схе-
ма, показанная на рис. 9.25. При
боксовании, например, колесной па-
ры тягового двигателя 1 потенциал
точки а уменьшается и через катуш-
ку реле РБ проходит ток от точки с
большим потенциалом (б или в)
через диод Д2 (ДЗ), катушку РБ,
диод Д4 к точке а. Такая схема
позволяет обнаружить боксование,
если имеется хотя бы одна небок-
сующая колесная пара. Но при бок-
совании всех колесных пар и эта
схема оказывается неработоспособ-
ной.
Для прекращения боксования
нужно уменьшить момент (или мощ-
ность) тягового двигателя боксую-
щей колесной пары. Для этого один
контакт реле боксования включает-
ся в схему возбуждения тягового
генератора, обеспечивая снижение
возбуждения, т. е. и мощности тя-
гового генератора. Второй контакт
включает звуковой (или световой)
сигнал машинисту.
Так как снижение мощности тяго-
вого генератора приводит к умень-
шению силы тяги всего тепловоза,
то желательно насколько возможно
уменьшить эти потери тяги, т. е. при
прекращении боксования необходимо
восстановить полную мощность гене-
ратора. Поэтому реле боксования вы-
полняют с большим коэффициентом
возврата: реле имеет незамкнутую
магнитную систему (якорь выполнен
из алюминия — немагнитного мате-
риала), и поэтому при включении
реле изменение зазора между плун-
жером и сердечником мало сказы-
вается на общем магнитном сопро-
тивлении цепи. В результате неболь-
шое уменьшение тока в катушке
при прекращении боксования приво-
дит к выключению реле и восстанов-
лению мощности тягового генерато-
ра. Однако если в этот момент
боксование прекратилось не пол-
ностью, то резкое восстановление
мощности может привести к повтор-
260
ному боксованию. Поэтому на совре-
менных тепловозах 2ТЭ10В и 2ТЭ116
предусматриваются специальные
схемы прекращения боксования, ко-
торые будут рассмотрены ниже.
Реле типа КРД-2 предназначено
для контроля температуры воды
или масла в системах дизеля. Прием-
ная система термореле, состоящая
из корпуса 2, сильфона 3 (рис.
9.26) и термобаллона 9, соединенных
капиллярной трубкой 1, заполнена
легкокипящей жидкостью. Термо-
баллон устанавливают в трубе, по
которой протекает контролируемая
жидкость. При повышении ее темпе-
ратуры рабочая жидкость в прием-
ной системе испаряется и давление
паров действует на дно сильфона,
преодолевая усилие пружины 5 и пе-
ремещая шток 4, нажимающий на
кнопку микропереключателя 8. Гай-
ка 7 со стопорным винтом 6 служит
для изменения натяжения пружины,
т. е. для установки температуры, при
которой происходит срабатывание
реле. Блок-контакты микропереклю-
чателя включены в соответствующие
цепи управления тепловоза. При не
обходимости в корпус реле КРД
могут устанавливаться до четырех
термоэлементов.
Реле давления масла типа КРД
предназначено для контроля давле-
ния масла в системе смазки дизеля
и устроено аналогично температур-
ному реле, только к сильфону вместо
капиллярной трубки с термобалло-
ном непосредственно подводится
масло от соответствующих точек сис-
темы смазки.
Реле давления воздуха типа АК-
11Б (рис. 9.27) контролирует давле-
ние воздуха в магистрали тормоз-
ной системы тепловоза. Воздух под-
водится к мембране 10 и переме-
щает шток <3, преодолевая усилие
пружины 2 и поворачивая рычаг 4
вокруг оси 9. При заданном давле-
нии воздуха, величина которого опре-
деляется затяжкой пружины 2 вин-
том /, рычаг пройдет положение
равновесия и контактная вилка 7
возоуя тормозной
магистрали
Рис. 9.27. Реле давления воздуха
под действием пружины 6 перебро-
сится влево, замыкая цепь на кон-
такт 5. Реле смонтировано на пане-
ли 8.
9.6. БЕСКОНТАКТНЫЕ АППАРАТЫ
В последние годы на тепловозах
все большее применение находят бес-
контактные аппараты. Отсутствие
движущихся, а следовательно, и из-
нашиваемых частей и большие сроки
службы определяют высокую надеж-
ность таких аппаратов. Бесконтакт-
ные аппараты можно разделить на
две основные группы: магнитные и
полупроводниковые.
Магнитные аппараты. Одним из
основных магнитных аппаратов явля-
ется амплистат, применяющийся в
системе возбуждения тепловозов
ТЭ10. Амплистат, принципиальная
схема которого показана на рис.
9.28, а, предназначен для усиления
сигнала, вырабатываемого селектив-
ной схемой, и представляет собой
магнитный усилитель с внутренней
261
Рис. 9.28. Схема включения и
характеристика амплистата
обратной связью. Рабочие обмотки
Н1—А/ и Н2—К2 амплистата уста-
новлены на отдельных сердечниках,
а обмотки управления У, Р, 3 и С
охватывают оба сердечника. Рабочие
обмотки соединены последовательно
и встречно. Выходное напряжение
[/Вых амплистата через выпрямитель
ВМ подводится к обмотке возбуж-
дения Н—НН возбудителя В тяго-
вого генератора. Зависимость напря-
жения на выходе амплистата от сум-
марной намагничивающей силы S/7
обмоток показана на рис. 9.28, б.
В системах возбуждения тяговых
генераторов тепловозов ТЭ10, ТЭ116,
М62 и др. применяют трансформато-
ры постоянного тока ТПТ и напря-
жения ТПН. Первые предназначены
для измерения токов тяговых гене-
раторов или двигателей, а вторые —
соответствующих напряжений. Ана-
логично амплистату трансформаторы
постоянного тока и напряжения так-
же имеют рабочие обмотки Н1—К1 и
Н2—К2 (рис. 9.29, а и 9.30, а),
включенные последовательно и встреч-
но и расположенные на отдель-
ных сердечниках. На трансформато-
рах постоянного тока в качестве
обмотки управления используется
провод, проходящий через окно сер-
дечника, по которому протекает из-
меряемый ток /г, а обмотка управ-
ления У трансформатора постоянно-
го напряжения охватывает оба сер-
дечника и через резистор СТПН
подключена к напряжению тягового
генератора Ur. Выходные токи zp
трансформаторов выпрямляются и
поступают в схему управления воз-
буждением тягового генератора. Ха-
рактеристики трансформаторов пока-
заны на рис. 9.29, б и 9.30, б.
Тахометрический блок предназна-
чен для выработки напряжения,
пропорционального частоте враще-
ния коленчатого вала дизеля (рис.
9.31). Напряжение U\ от источника
переменного тока, частота f которо-
го пропорциональна частоте враще-
ния коленчатого вала, подводится
к первичной обмотке насыщающе-
гося трансформатора Тр1. Парамет-
ры трансформатора (материал и раз-
меры сердечника, число витков обмо-
Рис. 9.29. Схема включения и характеристика трансформатора постоянного тока
262
напряжения
ток) выбраны так, что в определен-
ных пределах напряжение U2 на его
вторичной обмотке пропорционально
частоте f и почти не зависит от нап-
ряжения U\ (рис. 9.32). Для обес-
печения строго линейной зависимос-
ти U2 от f в схему (см. рис. 9.31)
включен трансформатор Тр2, первич-
ная обмотка которого соединена сог-
ласно с первичной обмоткой Тр1, а
вторичная — встречно с выходной
обмоткой Тр1. Выходное напряжение
выпрямляется выпрямителем В и
сглаживается фильтром, состоящим
из дросселя Др и конденсатора С.
Индуктивный датчик служит для
поддержания равенства эффектив-
ной мощности дизеля и мощности
нагрузки. Датчик состоит из магни-
топровода 1 (рис. 9.33, а), катушки
2 и якоря 3, связанного со штоком
сервомотора мощности регулятора
частоты вращения дизеля (см. гл. 4).
При перемещении якоря изменяется
индуктивное сопротивление катуш-
ки и, если напряжение U\ (рис.
9.33, б) постоянно, то изменяется и
ток, проходящий по катушке дат-
чика ИД. Этот ток выпрямляется,
и с нагрузочного резистора R сни-
мается напряжение t/2, примерно
пропорциональное перемещению z
якоря (рис. 9.33, в).
Полупроводниковые аппараты.
Выпрямительная установка предназ-
начена для преобразования пере-
менного напряжения, вырабатыва-
емого тяговым синхронным генера-
тором, в постоянное. Схема выпря-
мительной установки (рис. 9.34, а)
трехфазная мостовая. Так как гене-
ратор имеет две статорные обмотки
(1С1—1СЗ и 2С1—2СЗ), то выпрями-
тельная установка состоит из мостов
В1 и В2, соединенных между собой
параллельно. Промышленность не
выпускает диодов, способных про-
пустить полный ток, который должен
проходить через плечо 1 выпрями-
теля. Поэтому в плече (рис. 9.34, б)
Рис. 9.32. Характеристики
насыщающегося транс-
форматора
263
Рис. 9.33. Индуктивный датчик
диоды соединены параллельно. Ко-
личество диодов определяется то-
ком, проходящим по плечу. Так, в
выпрямительной установке УВКТ-5
тепловоза 2ТЭ116, комплектующей-
ся диодами ВЛ2-200, рассчитанными
на ток 200 А, параллельно вклю-
чаются 8 диодов. Кроме того, для
повышения надежности выпрямителя
при пробое одного диода их включа-
ют по два последовательно. Таким
образом установка УВКТ-5 имеет
240 диодов типа ВД2-200.
На тепловозах последних выпусков
все большее применение получают
управляемые выпрямители, обеспе-
чивающие не только выпрямление
напряжения, но и регулирование его.
На рис. 9.35, а показана схема тако-
го выпрямителя, используемого на
тепловозах 2ТЭ116 в системе возбуж-
Рис. 9.34. Схема выпрямительной установки
264
дения тягового генератора. Управля-
емый выпрямитель собран по одно-
фазной мостовой схеме, в одном
плече которой включены тиристоры
Т1 и Т2, а в другом — диоды ДЗ и Д4.
При подаче в момент времени а (рис.
9.35, б) импульса на управляющий
электрод тиристор открывается и
напряжение источника питания при-
кладывается к нагрузке. Таким обра-
зом, изменяя а, можно регулировать
напряжение, прикладываемое к об-
мотке возбуждения ОВ тягового ге-
нератора ТГ.
Диоды Д1 и Д2 являются резерв-
ными: при выходе из строя тирис-
торов или блока управления БУТ
необходимо переключить рубильник
АП и выпрямитель будет работать
как неуправляемый. Это обеспечива-
ет возможность работы тепловоза
др основного депо. Для защиты
тиристоров и диодов от перенапря-
жений, возникающих при переключе-
нии тиристоров, параллельно каждо-
му из них включены цепочки RC.
Для выработки импульсов управ-
ления тиристорами используется
блок БУТ, схема которого показана
на рис. 9.36. На входы 9 и 10 блока
подается переменное напряжение U ~
(рис. 9.37), синхронное с напряже-
нием, подводимым к управляемому
выпрямителю. С помощью стаби-
литронов Cml и Cm2 (см. рис. 9.36)
вырабатывается напряжение Uc (см.
рис. 9.37), которое через резистор
R1 и диоды Д1 и Д2 поочередно
через полупериод напряжения пита-
ния подводится к эмиттер-базовым
переходам транзисторов Т1 и Т2.
Эти транзисторы поочередно подклю-
чают обмотки Wi и Ц72 трансфор-
матора Tpl к источнику постоянного
напряжения, подключенного к вхо-
дам 11 и 12. Обмотки обратной свя-
зи Г3 и Wa обеспечивают четкое
включение транзисторов. В результа-
те на вторичной обмотке №5 тран-
сформатора Tpl вырабатывается
переменное напряжение U„ (см. рис.
9.37) прямоугольной формы. Это
напряжение подводится к рабочим
обмоткам Р1 и Р2 (см. рис. 9.36)
магнитного усилителя, обмотка
управления ОУ которого включена
на выход селективной схемы. В ре-
зультате на выходе магнитного уси-
лителя появляется напряжение £/му
(см. рис. 9.37), передний фронт 1
которого в каждый полупериод опре-
деляется током, протекающим по
обмотке управления усилителя. Это
напряжение через резистор R8 (см.
рис. 9.36), конденсатор С1, стаби-
литроны Cm3 и Ст4 и диоды Д7 и
Д8 прикладывается к эмиттер-базо-
вым переходам транзисторов ТЗ и Т4
соответственно. Транзисторы пооче-
редно подключают обмотки W\ и
трансформаторов Тр2 и ТрЗ к источ-
нику постоянного напряжения. В ре-
зультате на выходе вторичных обмо-
ток Ш'г и IF 4 появляется импульс
напряжения Uy прямоугольной фор-
мы (см. рис. 9.37), положение
которого относительно напряжения
Рис. 9.35. Управляемый выпрямитель
JJ.8O У
U~ источника питания определяется
током в обмотке управления маг-
нитного усилителя. Этот импульс
через диод ДП и резистор RH (или
соответственно ДЮ и R10) подается
на управляющий электрод тиристора
Т1 или Т2 (см. рис. 9.35, а),
включая его. Стабилитроны Спг5 и
Стб служат для защиты транзисто-
ров ТЗ и Т4 от перенапряжений,
а диоды Д9 и Д12— для защиты
Рис. 9.36. Схема блока управления тиристорами
265
Рис. 9.37. Диаграмма напряжений
блока управления тиристорами
управляющих переходов тиристоров
от обратных напряжений.
Блок пуска дизеля, упрощенная
схема которого показана на рис. 9.38,
служит для управления схемой пус-
ка дизеля на тепловозах 2ТЭ116.
Блок обеспечивает: контроль време-
ни работы электродвигателя масло-
прокачивающего насоса (60 с),
контроль времени пуска дизеля
(12 с), контроль времени стопового
режима (3 с), отключение схемы
пуска при достижении определенной
частоты вращения коленчатого вала
дизеля (конец пуска).
В исходном положении реле R1—
R5 блока выключены. При подаче
команды на пуск дизеля (см. гл. 10)
на выводы 1 и 2 подается напря-
жение от аккумуляторной батареи.
В этот момент напряжение источни-
ка через резистор R2, контакт ЗР1
и конденсатор СЗ прикладывается к
резистору R4. Потенциал в точке А
выше, чем в точке Б, в результате
чего диод Д/ и транзисторы Т1 и
Т2 заперты. Через размыкающий
контакт 1РЗ подается питание к ка-
тушке контактора КМН, включаю-
щего электродвигатель МН масло-
прокачивающего насоса. По мере за-
ряда конденсатора СЗ потенциал в
точке А уменьшается и после оконча-
ния установленной выдержки време-
ни 60 с становится меньше потен-
циала в точке Б. Диод Д1 и транзис-
торы Т1 и Т2 открываются, и через
резистор R5 напряжение подводится
к управляющему электроду тиристо-
ра ВУ1. Тиристор открывается и
через контакт 2Р2 включает реле
Pl, Р2 и Р5. При этом контакт 1Р1
обеспечивает питание катушек реле
Pl, Р2 и Р5, минуя тиристор ВУГ,
контакты 2Р2 и ЗР2 отключают эти
реле от тиристора ВУ1 и подклю-
чают к нему реле РЗ. В момент
переключения контактов тиристор
ВУ1 отключается; контакт 2Р1 за-
корачивает конденсатор СЗ, в резуль-
тате чего транзисторы Т1 и Т2 запи-
раются; контакт ЗР1 включает в ра-
боту конденсатор С2, начиная отсчет
второй выдержки времени; контакты
Рис. 9.38. Принципиальная схема бпока пуска дизеля
266
4Р2 и 5Р2 включают в работу конден-
сатор С4, начиная отсчет третьей
выдержки времени; контакты 6Р2 и
7Р2 включают контакторы Д1 и Д2,
обеспечивающие начало пуска дизе-
ля; контакт 1Р5 подключает первич-
ную обмотку трансформатора Тр1 к
синхронному возбудителю СВ.
В процессе пуска возможны два
случая:
если за время не более 3 с стартер-
генератор раскрутит коленчатый вал
дизеля до заданной частоты враще-
ния, что свидетельствует о нормаль-
ном начале процесса пуска, то напря-
жение на вторичной обмотке тран-
сформатора Тр1 достигает значения,
достаточного для включения тиристо-
ра ВУ2. Тиристор включает реле
Р4, которое контактом 1Р4 отклю-
чает конденсатор С4, контактом 2Р4
отключает управляющий электрод
тиристора ВУ2, а контактом ЗР4 под-
ключает управляющий электрод ти-
ристора ВУЗ-,
если за время 3 с коленчатый
вал дизеля не достигнет заданной
частоты вращения, что свидетельст-
вует о ненормальном начале пуска
(плохое состояние аккумуляторной
батареи, заклинен поршень дизеля
и т. д.), то конденсатор С4 зарядится,
потенциал в точке В станет меньше,
чем в точке А, диод Д2 и транзисто-
ры Т1 и Т2 откроются и включат
тиристор ВУ1. Тиристор включит ре-
ле РЗ, которое разомкнет контакт
1РЗ и выключит контактор КМН,
прекратив пуск дизеля.
Если начальная часть пуска дизеля
проходит нормально, то в дальней-
шем также возможны два случая;
если дизель начал работать за вре-
мя менее 12 с, то напряжение на
вторичной обмотке трансформатора
Тр1 достигает значения, достаточно-
го для включения тиристора ВУЗ.
Тиристор включает РУ9 (см. гл. 10),
которое разбирает схему пуска;
если за это время дизель не начнет
работать, что свидетельствует о
неисправности, то конденсатор С2
зарядится, потенциал в точке А ста-
нет меньше, чем в точке Б, и диод Д1
и транзисторы Т1 и Т2 откроются
и включат тиристор ВУ1. Тиристор
включит реле РЗ, которое отключит
контактор КМН, и, следовательно,
всю схему пуска. При этом блок
пуска дизеля отключается от источ-
ника напряжения и возвращается в
исходное состояние.
Блок пуска компрессора (ВПК)
предназначен для управления элек-
тродвигателем привода тормозного
компрессора. Питание электродвига-
теля на тепловозе 2ТЭ116 осущест-
вляется от стартер-генератора. Для
уменьшения пусковых токов при под-
ключении электродвигателя необхо-
димо снизить напряжение стартер-
генератора со 110 до 22—25 В,
подключить электродвигатель ком-
прессора, плавно поднять напряже-
ние стартер-генератора до 110 В.
В исходном положении к входу 2
(рис. 9.39) блока подводится напря-
жение стартер-генератора СТГ. Этим
Рис. 9.39. Принципиальная схема блока пуска дви-
гателя компрессора
Рис. 9.40. Принципиальная схема полу-
проводникового реле времени
267
напряжением через резисторы R2 и
R11 и стабилитрон Cm2 открывает-
ся транзистор Т1, соединяя управ-
ляющий электрод тиристора ВУ с
катодом.
При снижении давления воздуха в
главных резервуарах реле давления
воздуха РДК (см. гл. 10) включает
реле Р блока БПК (см. рис. 9.39).
При этом через катушку контакто-
ра КДК напряжение от СТГ пода-
ется на вход 3 блока. По цепи диод
Д/, резистор R4, эмиттер-базовый
переход транзистора Т2 протекает
ток, отпирающий этот транзистор.
Одновременно происходит заряд кон-
денсатора С1. Транзистор Т2 закры-
вает транзистор ТЗ, и полное напря-
жение цепей управления через резис-
торы R8, R9 и диод Д4 подается на
вход регулятора напряжения стар-
тер-генератора, вызывая снижение
напряжения СТГ. При падении нап-
ряжения до 22—25 В прекращается
ток по базе транзистора Т1, тран-
зистор запирается, что приводит к
включению тиристора ВУ и контакто-
ра КДК, который подключает якорь
электродвигателя компрессора к
стартер-генератору. Тиристор ВУ
шунтирует цепь базы транзистора
Т2, и по мере разряда конденсатора
С2 транзистор Т2 начинает закры-
ваться, а ТЗ — открываться. В ре-
зультате уменьшается напряжение,
вводимое в регулятор напряжения, и
напряжение стартер-генератора на-
чинает увеличиваться. До тех пор,
пока это напряжение не достигнет
напряжения пробоя стабилитрона
Ст4, рост напряжения происходит
достаточно быстро, что обеспечивает
наиболее тяжелую, начальную, ста-
дию пуска. После пробоя стабили-
трона Ст4 темп роста напряжения
СГ замедляется за счет протека-
ния по базе транзистора Т2 тока за-
ряда емкости С2. По мере заряда
емкости С2 транзистор Т2 полностью
запирается, а напряжение стартер-
генератора возрастает до номиналь-
ного значения — НО В. При дости-
жении заданного давления РДК
отключает реле Р и схема возвра-
щается в исходное положение.
Рассмотрим работу полупроводни-
кового реле времени (рис. 9.40).
При включении напряжения на вход
включается реле Р2, вводя в работу
конденсатор С1. Контакты 2Р2 и ЗР2
используются в схеме тепловоза как
контакты без выдержки времени.
При включении напряжения конден-
сатор С1 разряжен и напряжение на
нем равно 0. Диод Д заперт напря-
жением средней точки делителя R2—
R3. По мере заряда конденсатора
С1 напряжение на нем увеличива-
ется и в определенный момент вре-
мени диод Д открывается. Импуль-
сы напряжения от генератора им-
пульсов ГИ через конденсатор С2
поступают на вход триггера Т, ко-
торый включает реле РЗ. Контакт
1РЗ включает реле Р1, контакты
1Р1 и 2Р1 которого используются
в схеме тепловоза как контакты с
выдержкой времени.
Регулируя сопротивление резисто-
ра R1, можно изменять скорость
заряда конденсатора С1, т. е. и вы-
держку времени реле.
268
Глава 10. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
10.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Электрической схемой называется
изображение на чертеже совокуп-
ности электрических соединений
всего электрического оборудования
локомотива. Различают схемы: прин-
ципиальную, на которой показано
соединение между собой всего элек-
трооборудования, но не указано
конкретное подключение проводов;
исполнительную, на которой показа-
ны конкретное подключение каждого
провода и маркировка всех прово-
дов; монтажную, на которой показа-
ны трассы в высоковольтной каме-
ре, по которым должны проклады-
ваться все провода.
В электрической схеме различают:
силовые цепи, в которые входят
главные электрические машины и
аппараты (тяговые электродвигате-
ли, тяговые генераторы, главные
контакты силовых контакторов, ре-
версора и т. д.);
цепи управления, объединяющие
катушки приводов аппаратов, блок-
контакты, контакты органов управ-
ления и защиты и др.;
вспомогательные цепи, в которые
входят двигатели и генераторы вспо-
могательных устройств локомотива,
средства управления ими и их защи-
ты (двигатели компрессоров, венти-
ляторов, масляных и топливных на-
сосов и др.);
цепи освещения, соединяющие все
осветительные устройства локомо-
тива и средства управления ими.
Это деление условное, так как от-
дельные элементы одного аппарата
могут входить в различные цепи.
Электрические схемы локомотивов
выполняют с учетом следующих
требований:
все операции по управлению ло-
комотивом должны быть простыми.
легко запоминающимися, удобными
и выполняемыми с помощью мини-
мального количества органов управ-
ления;
должны быть обеспечены задан-
ные последовательности переключе-
ния аппаратов при перестановке ор-
гана управления из одного положе-
ния в другое как в прямом, так
и в обратном направлении;
отказ какого-либо аппарата не
должен привести к неправильному
режиму, представляющему опас-
ность (движение локомотива не
в заданном направлении, тяговый
режим вместо тормозного, короткое
замыкание и т. д.);
возможность работы по системе
многих единиц; при этом неисправ-
ность какого-либо одного из локомо-
тивов не должна влиять на работу
других тепловозов.
На локомотивах применяют глав-
ным образом аппараты с дистан-
ционным управлением, которые от-
крывают широкие возможности для
автоматизации управления и защи-
ты. Автоматизация позволяет упрос-
тить управление локомотивом, сни-
зить опасность ошибок и обеспе-
чить наиболее рациональные режимы
работы оборудования. Управление
современным локомотивом настолько
сложно, что если поручить его пол-
ностью машинисту, то это потребо-
вало бы установки большого коли-
чества измерительных приборов и ор-
ганов управления. В результате вни-
мание машиниста было бы сосредо-
точено не на наблюдении за усло-
виями движения (путевые сигналы,
состояние пути, скорость движения
и др.), а на управлении локомо-
тивом.
Автоматизация управления локо-
мотивом оставляет за машинистом
только несколько основных опера-
269
ций: подготовку локомотива к дви-
жению (пуск дизеля), выбор направ-
ления движения, выбор тягового или
тормозного режима, регулирование
скорости движения и некоторые
другие простейшие операции. При
этом машинист только устанавлива-
ет рукоятку управления в соответ-
ствующее положение, а все осталь-
ные операции выполняются автома-
тически в заданной последователь-
ности и с необходимыми выдержка-
ми времени.
Кроме устройств управления, пре-
дусмотрены элементы защиты обслу-
живающего персонала и оборудова-
ния от аварийных режимов и усло-
вий работы. Наиболее правильный
метод защиты — автоматическое
ограничение регулируемого парамет-
ра. Например, на тепловозах ТЭ10
ограничение максимального тока и
напряжения тягового генератора
осуществляется специальной систе-
мой возбуждения тягового генерато-
ра. Однако возможны неисправности,
при которых единственным способом
защиты является снятие нагрузки
или остановка машины. Это необ-
ходимо, когда даже кратковремен-
ный аварийный режим приводит к
серьезным нарушениям или опасен
для людей (пробой изоляции на кор-
пусе, глухое короткое замыкание
и др.) или когда без отключения
нельзя прекратить аварийный
режим (приваривание контактов,
неисправность тягового двигателя
и др.). Часто при неисправностях
ограничиваются лишь звуковой или
световой сигнализацией.
Очевидно, что автоматизация при-
водит к усложнению системы управ-
ления, увеличению числа аппаратов
и контактов и, следовательно, к воз-
можному снижению надежности
локомотива. Поэтому в каждом от-
дельном случае необходимо оцени-
вать эффективность устройств ав-
томатики с точки зрения эксплуата-
ционных показателей и надежности
работы локомотива.
При проектировании необходимо
стремиться к тому, чтобы режимы
270
работы и характеристики оборудо-
вания мало зависели от парамет-
ров отдельных элементов как в про-
цессе производства (допуски на из-
готовление и др.), так и в эксплуата-
ции (износы, старение, влияние ок-
ружающей среды и др.). Иначе при
постройке локомотива и в эксплуата-
ции потребуется частая настройка и
подгонка элементов системы. Если
же настройка неизбежна, то жела-
тельно, чтобы она была по возмож-
ности простой и ее можно было
выполнять на специальных стендах.
Например, регулятор напряжения
целесообразнее настраивать не на
локомотиве, а на стенде. Число регу-
лировок при испытаниях локомотива
на заводе и в эксплуатации должно
быть максимально сокращено. Это
требование особенно важно для обо-
рудования, подверженного сильному
износу и часто сменяемого.
Большие перспективы для повыше-
ния надежности системы управления
и ее автоматизации имеет исполь-
зование бесконтактных устройств
(полупроводниковых и магнитных),
отличающихся высокой надежностью
и долговечностью из-за отсутствия
изнашиваемых деталей, нечувстви-
тельности к пыли, влаге, тряске и т. д.
При составлении и чтении схем
необходимо четко знать условные
обозначения, установленные ГОСТ
2.755—87, ГОСТ 2.730—73 и ГОСТ
2.728—74. Необходимо учитывать,
что на схемах все аппараты показа-
ны в нормальном положении, т. е.
в положении, которое аппарат зани-
мает при обесточенных цепях управ-
ления (контакторы выключены
и т. д.). Для некоторых аппара-
тов нормальное положение прини-
мают условно (реверсор — в поло-
жении «Вперед», тормозной переклю-
чатель — в положении тягового ре-
жима, отключатели тяговых двига-
телей — в положении, когда двига-
тели включены, и т. д.). Размыкаю-
щим называется контакт, замкнутый
при нормальном (выключенном) по-
ложении аппарата, а замыкающим—
контакт, разомкнутый в этом положе-
нии. Провода, входящие в межсек-
ционные соединения, имеют стрелки
на концах. Все элементы схемы име-
ют буквенные или цифровые обоз-
начения. Дополнительные обозна-
чения на контактах многопозицион-
ных аппаратов показывают, на каких
позициях замкнут данный контакт.
При описании работы электрической
схемы рассматриваются вопросы,
только связанные с взаимодействием
аппаратов.
10.2. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЦЕПЕЙ ТЕПЛОВОЗА ТИПА ТЭ10
Пуск дизеля. Для пуска дизеля
необходимо вращать его коленча-
тый вал с частотой, достаточной
для сжатия воздуха в цилиндрах и
воспламенения топлива. На боль-
шинстве тепловозов с электрической
передачей для этой цели исполь-
зуют тяговый генератор, работающий
в режиме электродвигателя (старте-
ра) с последовательным возбужде-
нием. На тепловозах с гидромеха-
нической передачей или электричес-
кой передачей переменно-постоянно-
го тока для пуска дизеля устанав-
ливают специальный стартер. Источ-
ником энергии при пуске является
аккумуляторная батарея.
Последовательное возбуждение
обеспечивает наилучшие характерис-
тики стартера при пуске: большой
начальный момент, надежно обеспе-
чивающий быстрое страгивание с
места коленчатого вала дизеля; по
мере разгона ток якоря и магнит-
ный поток уменьшаются, что приво-
дит к увеличению скорости; исклю-
чается возможность перехода в ге-
нераторный режим после пуска дизе-
ля, когда скорость вращения якоря
резко возрастает. К недостаткам
стартера с последовательным воз-
буждением следует отнести большой
начальный ток, что приводит к уве-
личению размеров аккумуляторной
батареи, а при использовании для
пуска тягового генератора — к необ-
ходимости размещения на главных
полюсах дополнительной пусковой
обмотки, не используемой в тяговом
режиме.
На современных двухсекционных
тепловозах для облегчения условий
работы аккумуляторные батареи
обеих секций на период пуска соеди-
няют между собой параллельно. Для
этого их минусовые выводы соеди-
нены между собой постоянно кабе-
лем М (рис. 10.1), а плюсовые —
электромагнитными контакторами
ДЗ на период пуска.
Для пуска дизеля необходимо:
включить рубильник ВБ аккумуля-
торной батареи Б для подачи пита-
ния к цепям управления; включить
замковый ключ КЗ, исключающий
возможность одновременного управ-
ления с двух постов; включить
автомат «Управление», через кото-
рый плюс батареи Б подключается
к неподвижным контактам контрол-
лера машиниста КМ', включить авто-
мат «Топливный насос», нажать и
отпустить кнопку ПД (пуск дизе-
ля). Все дальнейшие операции при
пуске дизеля происходят автомати-
чески.
После включения автомата «Топ-
ливный насос» через контакты КЗ
и размыкающий контакт реле управ-
ления РУ7 включится катушка реле
РУЗ, замыкающий блок-контакт ко-
торого замкнет цепь питания элек-
тродвигателя TH вспомогательного
топливного насоса.
Для исключения возможности пус-
ка дизеля на рабочих (1-й и выше)
позициях контроллера машиниста
кнопка ПД включена через контакт,
замкнутый только на нулевой пози-
ции контроллера машиниста. При
нажатии кнопки ПД включается
РУ6, которое своим замыкающим
блок-контактом включает реле вре-
мени РВ1. Замыкающий блок-кон-
такт мгновенного действия РВ1 за-
мыкает цепь катушки контактора
КМН, силовые контакты которого
подключают к батарее электродвига-
тель МН маслопрокачивающего на-
соса. В дальнейшем катушка РУ6
получает питание через свой замы-
271
кающий блок-контакт и контакты
РУ8 и РУ9, минуя кнопку ПД.
Размыкающий блок-контакт КМН
вводит в цепь катушки РВ1 резистор
СРВ!, благодаря чему уменьшается
ток, а следовательно, и нагрев ка-
тушки реле. Прокачка масла про-
должается заданное время, которое
контролируется реле РВ1. Через это
время размыкающий блок-контакт
РВ! с выдержкой времени выклю-
чит контактор КМН и двигатель
МН, а замыкающие блок-контакты
РВ! замкнут цепь катушки пусково-
го контактора Д1 и реле времени
РВ2, контролирующего продолжи-
тельность пуска. В цепь катушки
контактора Д! включены размыкаю-
щие блок-контакты контакторов
КМН, Б и КВ и блок-контакт 105
устройства для проворота коленчато-
го вала дизеля, исключающие воз-
можность пуска дизеля при включен-
ных контакторах КМН, Б и КВ и
опущенном червяке этого устройства.
После включения контактора Д1
через его замыкающий блок-контакт
включаются контакторы ДЗ на обеих
секциях, а затем контактор Д2. В
результате якорь тягового генерато-
ра подключается к аккумуляторным
батареям Б обеих секций, причем
пусковая обмотка П генератора ока-
зывается соединенной последова-
а)
I*
1И
нов
В
КМ
8
\Н
Управление
тепловозом
КВ 0М1 0M2 ОМЗ 0М4 0М5 OMS РДМ2
се
а»ачнюов 7« J < зг i о
РП2
.ВШ2
ом1
оме
П1
П6
и Г-1//АУ
wn LI
ц ПИРТ
МРВ п и
\РУЮ
КЗ,
КЗ
Управление
ТопмВиш
>- мак:
кми
ТоплиВный
_________о. косое
Ь+ВГ(В)
-j w < LJ rww
ддР’СГт PB2 Wn U
twv рув. U nWT
LJL „ д/ n
РВ2
\ДЗ
1PBI
РОЗ
кдм
РУ7
—Ч.ТНу—^д2 n Sfj —
..
ц. РУ9Д I
РДмГ"''^ ВВ 8П
РУ9
РУ7
Ти |4>
Д1 ЛЗ М
-вг(в)
Рис. 10.1. Электрическая схема тепловозов типа ТЭ10 (а и б)
272
тельно с якорем. Замыкающий блок-
контакт контактора Д2 включает ка-
тушку электропневматического
клапана ВП7 ускорителя пуска, а
замыкающий блок-контакт Д1—
катушку блокировочного магнита
БМ регулятора частоты вращения
дизеля.
Через замыкающий блок-контакт
БМ включится сигнальная лампа
«Дизель II секции» на второй секции
тепловоза. После пуска дизеля, ког-
да давление масла в системе под-
нимается до заданного значения,
замкнется замыкающий блок-кон-
такт реле давления масла РДМ1 и
включит реле РУ9, которое своим
размыкающим блок-контактом вы-
ключит реле РУ6 и разомкнет цепь
пуска. Если через определенное вре-
мя после включения Д1 давление
масла не достигнет заданного значе-
ния, то реле времени РВ2 своим
размыкающим блок-контактом так-
же выключит реле РУ6 и прекра-
тит пуск, чтобы избежать длитель-
ного разряда батареи. Замыкающий
блок-контакт реле РУ9 обеспечивает
питание катушки БМ, минуя разом-
кнувшийся блок-контакт Д1.
Управление регулятором частоты
вращения дизеля. Частота вращения
коленчатого вала дизеля на каждой
позиции контроллера машиниста
273
поддерживается постоянной при по-
мощи регулятора. Для связи с конт-
роллером в регуляторе имеются элек-
тромагниты MPi—MP4 или электро-
пневматические клапаны (на тепло-
возах ТЭЗ и др.). Катушки магни-
тов МР1—МР4 соединены непосред-
ственно с контактами контроллера,
переключающимися в последователь-
ности, показанной на развертке
контроллера Каждой позиции соот-
ветствует определенная комбинация
включенных катушек магнитов и, сле-
довательно, определенная частота
вращения коленчатого вала дизеля.
Трогание с места и движение теп-
ловоза. Движение тепловоза под
нагрузкой возможно только на 1-й
и выше позициях контроллера. Поэ-
тому питание катушек всех аппара-
тов, связанных с силовыми цепями,
осуществляется через два контакта
контроллера, последовательно сое-
диненных и замкнутых на всех по-
зициях, кроме нулевой. Для трога-
ния тепловоза с места машинист
должен включить автомат «Управле-
ние тепловозом» и установить ревер-
сивную рукоятку контроллера в по-
ложение, соответствующее заданно-
му направлению движения (по схеме
«Вперед»), а главную на 1-ю пози-
цию.
После этого включится катушка
В (или И) электропневматического
клапана реверсора и его силовые
контакты подключат обмотки воз-
буждения (Ki—КК1) — (Кб—КК6)
тяговых двигателей к силовой цепи
с требуемой для выбранного нап-
равления движения полярностью.
После включения силовых контак-
тов замыкается блок-контакт ревер-
сора и включаются электропневма-
тические клапаны силовых контакто-
ров П1—П6. Силовые контакты кон-
такторов П1—П6 подключают тяго-
вые электродвигатели 1—6 к тягово-
му генератору Г, а замыкающие
блок-контакты П1—П6 замыкают це-
пи контакторов КВ и ВВ возбужде-
ния тягового генератора и возбуди-
теля, обеспечивая возбуждение тяго-
274
вого генератора, появление напря-
жения на его якоре и тока в цепи
тяговых двигателей (работа системы
возбуждения на тепловозах ТЭ10
рассмотрена выше). Размыкающие
блок-контакты Д1 и Д2 в этой цепи
исключают возможность включения
силовой цепи до окончания пуска
дизеля; размыкающий блок-контакт
РУ8 обеспечивает возможность
включения контакторов КВ и ВВ
только на 1-й позиции КМ, так
как со 2-й позиции реле РУ8 вклю-
чается. После трогания с места ма-
шинист устанавливает требуемый ре-
жим движения, задавая главной ру-
кояткой контроллера ту или иную
частоту вращения коленчатого вала
дизеля, а значит, и мощность тепло-
воза. На нулевой позиции силовая
установка тепловоза работает на
холостом ходу (режим выбега).
Если по условиям движения вклю-
чается реле перехода РП1 (РП2),
то его замыкающий блок-контакт
замыкает цепь катушки электропнев-
матического клапана группового кон-
тактора ВШ1 (ВШ2), силовые кон-
такты которого включают параллель-
но обмоткам возбуждения тяговых
двигателей шунтирующие резисторы
СШ1—СШ2. Таким образом обеспе-
чивается режим ослабленного воз-
буждения. При изменении условий
движения реле РП1 (РП2) выклю-
чаются и отключают контакторы
В1Д1 (ВШ2). Замыкающий блок-
контакт ВШ1 в цепи катушки напря-
жения реле РП2 обеспечивает пра-
вильную последовательность включе-
ния реле переходов, размыкаю-
щий блок-контакт ВШ1 (ВШ2) под-
готавливает реле РП1 (РП2) к
выключению, вводя в цепь катушек
напряжения добавочные сопротивле-
ния.
Защита при боксовании. При бок-
совании какой-либо колесной пары
тепловоза частота вращения якоря
связанного с ней тягового двига-
теля может превысить допустимую.
Для прекращения боксования необ-
ходимо уменьшить вращающий мо-
мент тягового двигателя. На тепло-
возах для этого уменьшают возбуж-
дение, а следовательно, и мощность
тягового генератора. При этом
уменьшается вращающий момент и
небоксующих тяговых двигателей, а
значит, и сила тяги всего теплово-
за, что является недостатком такого
способа.
Для обнаружения и прекращения
боксования установлены реле боксо-
вания РБ1—РБЗ, катушки которых
включены в диагонали мостов, обра-
зованных якорями и обмотками глав-
ных и добавочных полюсов соответ-
ствующих пар тяговых двигателей.
При отсутствии боксования токи тя-
говых двигателей равны (мост в рав-
новесии) и ток в катушке реле бок-
сования РБ равен нулю. При возник-
новении боксования ток в цепи тя-
гового двигателя боксующей колес-
ной пары резко уменьшается, равно-
весие моста нарушается и в катушке
РБ, включенной в диагональ моста,
появляется ток. Реле включается и
своим размыкающим блок-контактом
выключает контактор ВВ, снижая
возбуждение тягового генератора, а
замыкающий блок-контакт реле
включает звуковой сигнал боксова-
ния СБ на обеих секциях. Одновре-
менно замыкающий блок-контакт ВВ
включает сигнальную лампу «Сброс
нагрузки» на обеих секциях. После
прекращения боксования ток в ка-
тушке РБ исчезает, реле выключа-
ется и восстанавливается нормаль-
ный режим работы.
Недостатком этой системы защиты
является ее малая чувствительность
при ослабленном возбуждении тяго-
вых электродвигателей. В реальных
условиях из-за расхождения харак-
теристик тяговых двигателей, разных
диаметров бандажей колесных пар и
отклонений в сопротивлениях ослаб-
ления возбуждения токи в парал-
лельных тяговых двигателях не рав-
ны, особенно при работе на ослаб-
ленном возбуждении (разница токов
до 20 %). Не равны и сопротивления
обмоток возбуждения тяговых двига-
телей. Поэтому в катушке реле РБ
даже при отсутствии боксования воз-
можен ток. Реле регулируют так,
чтобы в этом случае (ложное бок-
сование) оно не срабатывало. Но при
малой разнице токов, а это также
возможно, реле не сработает, по-
ка не разовьется значительное бок-
сование и ток в катушке реле не
достигнет заданного значения. Кроме
того, при одновременном боксовании
двух колесных пар реле может вооб-
ще не сработать. Поэтому на совре-
менных тепловозах находят приме-
нение системы, основанные на непо-
средственном измерении и сравнении
скоростей и ускорений колесных пар.
Процессы боксования на теплово-
зах осложняются еще и тем, что из-за
уменьшения тока якоря тяговых дви-
гателей боксующих колесных пар
уменьшается и ток тягового генера-
тора. В результате по внешней
характеристике генератора увеличи-
вается напряжение, подводимое к тя-
говым двигателям, а это способ-
ствует развитию боксования. Поэто-
му на части тепловозов 2ТЭ10Л
и ТЭП60 и на тепловозах 2ТЭ10В
и 2ТЭ116 применена так называемая
система жестких динамических ха-
рактеристик (ЖДХ).
Трансформаторы постоянного тока
ТПТ1—ТПТ4 (рис. 10.2) измеряют
токи, протекающие в тяговых двига-
телях 1 и 6 и группах двигателей
2—3 и 4—5. Токи рабочих обмоток
ТПТ выпрямляются мостами В1—В4,
соединенными между собой последо-
вательно. Поэтому на выход схемы
(в балластный резистор СБТТ селек-
тивного узла) поступает наибольший
из токов ТПТ. При боксовании од-
ного из двигателей уменьшается
ток в цепи его якоря, но в селек-
тивный узел продолжает поступать
сигнал от ТПТ, установленного в
другой группе, где боксование в дан-
ный момент отсутствует. В результа-
те напряжение тягового генератора
остается постоянным, хотя ток якоря
его уменьшается. В этом заключа-
ется отличие от схемы, где тран-
сформатор ТПТ измеряет полный
ток якоря тягового генератора, и,
следовательно, при любом уменьше-
275
Рис. 10.2. Схема включения трансформаторов постоянного
тока при жестких динамических характеристиках
нии тока генератора, вызванном бок-
сованием, происходит увеличение
напряжения генератора по селектив-
ной характеристике.
Однако система динамических
жестких характеристик эффективна
лишь при кратковременных боксо-
ваниях, когда регулятор мощности
дизеля не успевает привести в соот-
ветствие мощность дизеля и тягово-
го генератора. Действительно, если
напряжение тягового генератора ос-
тается постоянным при уменьшении
тока якоря, то это означает умень-
шение мощности генератора. Объе-
диненный регулятор частоты враще-
ния и мощности дизеля через индук-
тивный датчик должен увеличивать
напряжение, т. е. и мощность гене-
ратора, так, чтобы восстановить ра-
венство
ЛГ
ЛГЯ = — + Л^всп-
Д у» 1 О'- п
Чг
Однако из-за большой инерцион-
ности регулятора мощности этот про-
цесс происходит медленно, и при
кратковременном боксовании напря-
жение тягового генератора не успе-
вает увеличиваться. Поэтому такая
система и называется системой дина-
мических жестких характеристик.
Очевидно, что при одновременном
боксовании всех колесных пар опи-
санная схема не имеет существенных
отличий от схемы на рис. 10.1.
276
Защита при заземлении силовой
цепи. Первое замыкание силовой
цепи на корпус не нарушает работу
тепловоза. Однако при этом потен-
циалы некоторых точек относительно
земли могут оказаться выше допусти-
мых, а второе замыкание на землю
может вызвать тяжелые поврежде-
ния оборудования. Поэтому на тепло-
возах предусмотрено заземление си-
ловой цепи через катушку реле за-
земления РЗ. При включении реле
заземления его размыкающий блок-
контакт выключает контакторы ВВ
и КВ, полностью снимая напряжение
с тягового генератора. Замыкающий
блок-контакт реле заземления вклю-
чает сигнальные лампы на обеих
секциях.
Отключение тягового двигателя.
При аварии одного из тяговых дви-
гателей его можно отключить тумб-
лерами ОМ1—ОМ6. При этом один
контакт тумблера размыкает цепь
катушки электропневматического
клапана соответствующего силового
контактора, а второй шунтирует за-
мыкающий блок-контакт этого кон-
тактора, обеспечивая включение
контактора КВ. Третий контакт
тумблера вводит резистор в цепь за-
дающей обмотки амплистата, что
приводит к уменьшению мощности
тягового генератора.
Размыкающий и замыкающий
блок-контакты силового контактора в
цепи катушки контактора ВВ и сигна-
ла боксования СБ обеспечивают в
этом случае нормальную работу РБ
в цепях включенных двигателей.
Защита дизеля. На тепловозе пре-
дусмотрены следующие защиты дизе-
ля:
по давлению масла — при сниже-
нии давления ниже заданного реле
РДМ1 выключает катушку блокиро-
вочного магнита БМ и останавли-
вает дизель;
по давлению масла — если на 12—
15-й позициях контроллера давление
станет ниже заданного, то реле
РДМ2 выключит контактор КВ и
снимет нагрузку с дизеля (до 12-й
позиции блок-контакт реле РДМ2
шунтирован блок-контактом РУ4)-,
по температуре воды и масла —
если температура воды или масла
превысит заданное значение, то реле
ТРВ или ТРМ выключит контактор
КВ и снимет нагрузку с дизеля;
по давлению газов в картере —
при появлении давления замкнутся
блок-контакты дифференциального
манометра К ДМ и включат реле
РУ7, размыкающий блок-контакт
которого выключит реле РУЗ и оста-
новит дизель.
Замыкающий блок-контакт реле
давления воздуха РДВ исключает
возможность включения нагрузки и
движения тепловоза до тех пор, пока
давление воздуха в главных резер-
вуарах не достигнет заданного зна-
чения.
10.3. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЦЕПЕЙ ТЕПЛОВОЗА 2ТЭ116
Пуск дизеля. На тепловозах
2ТЭ116 для облегчения условий рабо-
ты аккумуляторные батареи обеих
секций на период пуска соединяют
между собой параллельно. Для это-
го минусовые выводы батарей соеди-
няют между собой постоянно через
разъем РПВ (рис. 10.3, 10.4.), а
плюсовые соединяются контактором
Д1 на период пуска.
Для пуска дизеля необходимо:
включить рубильники ВБ аккумуля-
торных батарей АБ обеих секций
для подачи питания к цепям управ-
ления; включить автоматы «Управ-
ление», «Дизель», «Топливный на-
сос» и тумблер «Топливный насос»;
установить на место блокировочную
рукоятку БУ крана машиниста;
установить реверсивную рукоятку
контроллера в положение «Вперед»
(В) или «Назад» (Я); установить
главную рукоятку контроллера на
нулевую позицию и нажать кнопку
«Пуск дизеля». Все дальнейшие опе-
рации происходят автоматически под
контролем блока пуска дизеля
БПД.
После включения тумблера «Топ-
ливный насос» через размыкающий
блок-контакт реле РУЗ включается
катушка контактора КТН. Контактор
включает электродвигатель TH топ-
ливоподкачивающего насоса. После
включения кнопки «Пуск дизеля» от
контакта контроллера, замкнутого
только на нулевой позиции, через
размыкающий блок-контакт РУ9 и
размыкающий контакт с выдержкой
времени при размыкании БПД вклю-
чается катушка контактора КМН.
Контактор включает электродвига-
тель МН маслопрокачивающего
насоса. Замыкающий блок-контакт
КМН через замыкающий блок-кон-
такт КТН и размыкающий блок-
контакт РУ4 обеспечивает питание
катушки КМН, минуя кнопку «Пуск
дизеля», которую теперь можно вы-
ключить. Замыкающий блок-контакт
КМН включает блокировочный элек-
тромагнит МР6 регулятора дизеля.
Одновременно подается питание в
блок пуска дизеля БПД, начинаю-
щего отсчет времени. После уста-
новленного времени работы масло-
прокачивающего насоса включается
замыкающий блок-контакт с выдер-
жкой времени при замыкании БПД
в цепи катушки контактора Д1.
Контактор соединяет между собой
плюсовые выводы батарей обеих
секций. Замыкающий блок-контакт
Д1 через замыкающий блок-контакт
БПД и размыкающие блок-контак-
277
Дизель
рдт\
КТН
Топливный насос
ВИД
РУЗ
~рТП
6ПД
ДАР
РВЧ
РБ?,
СБ
РУП.
Р61
НРБ
ВТ И
РВ2
Т~\РУ17 L
НИН
КРИ
Топливный
насос
Пуск
дизеля
зпк.
—1Й
РУП
впд
u в г.
РШ
рви
РУ!Т
РУБ'
0М6
от г
лдм
\бд .
ЛРТ
лн-^
^Г-0—
ВтТ~ ЛТГ
pyj^
РУ/О^
АВУ
вон
>трвг
MP3
РУЗ
I БУ в О
Управление
РП1
СРЗН
Компрессор
РДК
кдп
СЗБ
ДЗБ
43-
BBV
РДВ
Аг \А1 .РПВ
Рис. 10.3. Цепи управления тепловоза 2ТЭ116
Управление
возбужде-
нием
Вт
'ау
РВЗ
1L ОМ! 0М2 ОМЗ ОМУ 0М5
14 12 10 8 в ♦ г о\
!5\rt\lt | 9 | 7 | f| 3 | Hl
НРБ
МР1
Н
РУ1В
РУЗ
.ир/СТГ^^
РЗИ ]Р ф-“
-^. 4 |- рм
ВПК
КУДК
иР
~Д2
РДмг>_
РУЧ
омз
В М2
ОШ _
пз
^ВИЗ г\П5
П1
трм^й
тв/ трвТ&
________ КДМ>
РУЗ
ВЛ
ВШ1
РУЗ
КПП ' 1 1 1 U —
й Т 1 , п МП!
L U п гкпг
к П 2КП1 U
Т1Г"Л7^//
И** Кпп
1-1 г\5кпТ
n'm |_г—
U иТТ/Г
вшг LI
РПВ
тптг Г-1
1 ~
LXbts—
тптз
ТПТ1
тпть
вв
ВВ
гсз
гсг
ог
га
кг
1С1
'г''Г~\рмг
•?/ | КЗ
лз
БУ В
МЧ ВШ1ВШ2
яяо випвшг
яя} випвшг
\ПРЛ X \
к'з
*»
\KS
\ККЗ
\HKif
РВ1В.
ВРЗ
I i i £ i i i
взв
CP3
CrlTS.
P3
вилвшг
СШ5
пр
сшз
ПР
сип
зипвшг gH
\тг ।
3
< 7Рг
ри ТТ
L
_\\/7Р
СРВ1 РВ1
Рис. 10.4. Силовые цени тепловоза 2ТЭ116
сявг
сев
ИА
СБТ
СБИ
ССВ1
дгЖ
АВУ.
я*3 ВШ1ВШ2
сшч
ПР
cpbz
гг
ты валоповоротного устройства 105,
исключающий возможность пуска
дизеля при опущенном червяке это-
го устройства, и контактора Д2 вклю-
чает катушку контактора Д2.
Одновременно включается элек-
тропневматический вентиль ВП7
ускорителя пуска.
Силовой контакт Д2 через обмотку
последовательного возбуждения
С1—С2 подключает стартер-генера-
тор СГ к аккумуляторной батарее
АБ.
Стартер-генератор раскручивает
коленчатый вал дизеля. Если за ус-
тановленное время частота вращения
коленчатого вала не достигнет задан-
ного значения, то размыкающий блок-
контакт БПД выключит катушку
КМН, замыкающий блок-контакт ко-
торого выключит питание БПД, т. е. и
контакторы Д1 и Д2, прекратив пуск.
Если же пуск проходит нормально,
то после появления давления масла
замыкается блок-контакт реле РДМ4
и плюс источника питания подводит-
ся к катушкам реле РУ9 и РУ10.
При достижении заданной частоты
вращения коленчатого вала блок
БПД подключает катушки РУ9 и
РУ10 к минусу источника питания
и реле включаются.
Реле РУ9 замыкающим контактом
обеспечивает питание катушки
электромагнита МР6 регулятора ди-
зеля, минуя блок-контакт КМН-,
размыкающим контактом через БПД
выключает катушки контакторов Д1
и Д2, отключая стартер-генератор
от батареи; замыкающим контактом
подготавливает цепь включения ка-
тушки контактора КРН через БПД
и замыкающие блок-контакты Д1 и
Д2\ замыкающий контакт через за-
мыкающие блок-контакты РУ8 и РУ5
включает электропневматический
вентиль ВТН отключения ряда топ-
ливных насосов на холостом ходу
дизеля.
После выключения контакторов
Д1 и Д2 включается катушка кон-
тактора КРН, силовые контакты ко-
торого подключают обмотку незави-
симого возбуждения Н1—Н2 стар-
280
тер-генератора СГ к регулятору на-
пряжения PH Регулятор поддержи-
вает напряжение СГ постоянным,
независимо от частоты вращения
якоря и нагрузки. С этого момен-
та все вспомогательные цепи пита-
ются от стартер-генератора, а бата-
рея переводится в режим заряда че-
рез диод заряда батареи ДЗБ и
ограничивающий резистор СЗБ.
На этом пуск дизеля заканчива-
ется. Если через заданное время дав-
ление масла или частота вращения
коленчатого вала не достигнут уста-
новленных значений (не включится
блок-контакт РДМ4 или тиристор
БПД в цепи катушек РУ9 и РУ 10), то
размыкающий блок-контакт БПД с
выдержкой времени выключит ка-
тушку КМН, прекратив пуск во из-
бежание чрезмерного разряда бата-
реи или перегрева стартер-генерато-
ра.
Управление электродвигателем
привода компрессора. При снижении
давления воздуха в главных резер-
вуарах ниже установленного уровня
замыкается блок-контакт реле дав-
ления воздуха РДК и соединяет
блок пуска компрессора БПК с ми-
нусом цепей управления (тумблер
ТРК нормально включен). Блок БПК
дает разрешение на включение ка-
тушки контактора КУДК через замы-
кающие блок-контакты КРН и БПК.
Контактор КУДК силовым контактом
подключает обмотку Ш1—Ш2 па-
раллельного возбуждения двигателя
К привода компрессора; включает
разгрузочный электропневматичес-
кий вентиль ВР, обеспечивающий
пуск компрессора без противодавле-
ния; подает питание в БПК.
Блок пуска компрессора подает
сигнал в регулятор напряжения ТРН
и после снижения напряжения стар-
тер-генератора до заданного уровня
включает катушку контактора КДК,
силовой контакт которого подклю-
чает двигатель К к стартер-генера-
тору, а блок-контакт соединяет ка-
тушку КУДК с минусом, минуя
БПК. После этого сигнал, поступаю-
щий от БПК на PH, начинает
уменьшаться, а напряжение стартер-
генератора возрастает до номиналь-
ного значения. Так как напряжение,
приложенное к катушке ВР разгру-
зочного вентиля, уменьшается до
нуля, то вентиль выключается и ком-
прессор начинает нагнетать воздух
в главные резервуары. При дости-
жении заданного давления блок-
контакт РДК разомкнется и выклю-
чит БПК и двигатель компрессора.
Управление регулятором частоты
вращения коленчатого вала дизеля.
Частота вращения коленчатого вала
дизеля на каждой позиции контрол-
лера машиниста поддерживается
постоянной с помощью регулятора
частоты вращения. Для связи с кон-
троллером в регуляторе имеются
электромагниты МР1—MP4. Катуш-
ки магнитов МР1—MP4 соединены
непосредственно с контактами конт-
роллера, переключающимися в пос-
ледовательности, показанной на раз-
вертке контроллера. Каждой пози-
ции соответствует определенная ком-
бинация включенных катушек маг-
нитов и, следовательно, определен-
ная частота вращения коленчатого
вала дизеля.
Трогание с места и движение
тепловоза. Движение тепловоза под
нагрузкой возможно только на 1-й
и выше позициях контроллера. Поэ-
тому питание катушек всех аппара-
тов, связанных с силовыми цепями,
осуществляется через два контакта
контроллера, замкнутые на всех
позициях, кроме нулевой. Для трога-
ния тепловоза с места машинист
должен включить автомат «Управле-
ние возбуждением», тумблеры ОТ1 и
ОТ2 отключения тяговых электродви-
гателей передней и задней тележек,
тумблеры ОМ1—ОМ6 отключения
отдельных тяговых электродвигате-
лей, автоматы ATI, АТ2 и АВУ
электродвигателей вентиляторов ох-
лаждения тяговых двигателей перед-
ней и задней тележек и выпрями-
тельной установки (эта группа аппа-
ратов нормально всегда включена),
тумблер «Управление тепловозом»
(УТ) и установить реверсивную ру-
коятку контроллера в положение,
соответствующее заданному направ-
лению движения (по схеме «Впе-
ред»), а главную — на 1-ю позицию.
После этого через размыкающий
блок-контакт РУ1 включится катуш-
ка электропневматического клапана
реверсора «Вперед» (В) и его сило-
вые контакты ПР подключат обмот-
ки возбуждения (К1—КК1)—
(КБ—К Кб) тяговых двигателей к си-
ловой цепи с требуемой для выбран-
ного направления движения поляр-
ностью. После этого замыкается
блок-контакт В реверсора и через
замыкающие блок-контакты автома-
тов АВУ, 1АТ и 2АТ, размыкаю-
щие блок-контакты реле РУ2 и РУ8 и
блок-контакт реле РДВ давления
воздуха в питательной магистрали
включается катушка реле времени
РВЗ. Своим замыкающим блок-кон-
тактом с выдержкой времени при раз-
мыкании реле РВЗ через автомат
«Управление возбуждением», тумб-
леры ОТ1 и ОТ2 отключения тя-
говых электродвигателей включает
катушки П1—П6 электропневмати-
ческих вентилей контакторов П1—
П6, которые своими силовыми кон-
тактами подключают якори тяговых
электродвигателей 1—6 к выпрями-
тельной установке ВУ, а замыкаю-
щими блок-контакта ми П1—П6 обес-
печивают питание катушки реле
РУ5 (контакты тумблеров ОМ1—
ОМ6 выключены).
Замыкающий блок-контакт РУ5
через размыкающие блок-контакты
реле заземления РЗ, реле РМ2 за-
щиты выпрямительной установки,
блокировок дверей высоковольтных
камер БД и выпрямительной установ-
ки БВУ и замыкающий блок-кон-
такт КРН включает катушки кон-
такторов возбуждения возбудителя
ВВ и возбуждения тягового гене-
ратора КВ. Контактор ВВ через
резистор СВВ включает возбуждение
синхронного возбудителя СВ, на вы-
водах которого появляется перемен-
ное напряжение, а контактор КВ
соединяет обмотку возбуждения
И!—И2 тягового генератора Г с
281
управляемым выпрямителем УВВ.
Блок-контакт КВ через ограничи-
вающий резистор СД2 и стабилитрон
Ст1 включает питание блока управ-
ления выпрямителем БУВ. Тиристо-
ры управляемого выпрямителя от-
крываются, и по обмотке возбужде-
ния генератора протекает ток. На
выходе тягового генератора появля-
ется переменное напряжение, которое
выпрямляется выпрямителем ВУ
и через контакты П1—П6 подводится
к тяговым электродвигателям 1—6.
В результате тепловоз трогается с
места.
После трогания с места машинист
устанавливает требуемый режим
движения, задавая главной рукоят-
кой контроллера ту или иную частоту
вращения коленчатого вала дизеля, а
значит, и мощность тепловоза.
При переводе главной рукоятки
контроллера на нулевую позицию
отключаются контакторы ВВ и КВ,
через 2—3 с размыкается блок-кон-
такт РВЗ и выключаются контакто-
ры П1—П6 (холостой ход). Тем
самым уменьшается подгар силовых
контактов этих контакторов, так как
за 2—3 с напряжение тягового
генератора успевает уменьшиться
практически до нуля и разрыв
цепи тяговых двигателей осущест-
вляется без тока.
На тепловозах 2ТЭ116 вентиляторы
охлаждения тяговых двигателей, вы-
прямительной установки и вентиля-
торы холодильника дизеля приводят-
ся асинхронными трехфазными элек-
тродвигателями, получающими пита-
ние от силовых обмоток тягового
генератора. Для обеспечения работы
электродвигателей возбуждение ге-
нератора должно осуществляться да-
же при движении без тяги. Поэтому
в схеме предусмотрен размыкающий
блок-контакт РВЗ.
После выключения реле этот кон-
такт замыкается и через размыкаю-
щие блок-контакты П1—П6, РУ5, РЗ,
РМ2, БД, БВУ и контакт КРИ вновь
включает контакторы В В и КВ, обес-
печивая возбуждение тягового гене-
ратора.
282
Если по условиям движения вклю-
чается реле перехода РП1 (РП2),
то его замыкающий блок-контакт
замыкает цепь катушки электро-
пневматического клапана группово-
го контактора ВШ1 (ВШ2), сило-
вые контакты которого включают
параллельно обмоткам возбуждения
тяговых двигателей шунтирующие
резисторы СШ. Таким образом
обеспечивается режим ослабленного
возбуждения.
При изменении условий движения
реле РП1 (РП2) выключаются и
отключаются контакторы ВШ1
(ВШ2). Замыкающий блок-контакт
ВШ1 в цепи катушки напряжения
реле РП2 обеспечивает правильную
последовательность включения реле
переходов, а размыкающие блок-
контакты ВШ1 (ВШ2) подготавли-
вают реле РП1 (РП2) к выключению,
вводя в цепь катушек напряжения
добавочные сопротивления.
В отличие от других тепловозов
на тепловозах 2ТЭ116 токовые ка-
тушки реле переходов включены в
цепь максимального из токов тран-
сформаторов ТПТ1—ТПТ4.
Защита электрооборудования и ди-
зеля. На тепловозах 2ТЭ116 приме-
няется система динамических жест-
ких характеристик тягового генера-
тора, аналогичная тепловозу
2ТЭ10Л. Для обнаружения и прек-
ращения боксования установлены
реле РБ1 и РБ2, катушки которых
включены на выход блока диодов
БДС. Резисторы СРБ1 и СРБ2 выб-
раны так, что при работе тепловоза
с полным возбуждением тяговых
электродвигателей вначале сраба-
тывает РБ1, блок-контакт кото-
рого включает катушку реле РУ17.
Это реле своими блок-контактами:
включает электромагнит МР5,
обеспечивающий перемещение ин-
дуктивного датчика ИД в положение,
при котором уменьшается мощность
тягового генератора;
включает резистор ССУ2 в канале
ограничения напряжения, обеспе-
чивая тем самым снижение уставки
по напряжению тягового генератора;
включает реле времени РВ2, ко-
торое своими блок-контактами ис-
ключает возможность включения
контакторов ослабления возбужде-
ния BU11 и ВШ2.
Если боксование не прекращается,
то включается РБ2, которое своими
блок-контактами включает реле вре-
мени РВ4, блок-контакт которого
вводит резистор ССБ2 в канал регу-
лирования мощности, обеспечивая
дальнейшее снижение мощности ге-
нератора; включает реле РУН, ко-
торое своим блок-контактом вводит
еще один резистор ССБ1 в канал
регулирования напряжения.
При прекращении боксования
часть мощности тягового генератора
восстанавливается сразу после
выключения РБ2, а часть—после
выключения блок-контакта РВ4 с вы-
держкой при размыкании. Тем самым
снижается вероятность повторного
боксования при резком восстановле-
нии мощности тягового генератора.
При работе с ослабленным возбуж-
дением тяговых двигателей чувстви-
тельность реле РБ2 увеличивается,
так как блок-контакт РУ16, катуш-
ка которого включена параллельно
катушке ВШ1, закорачивает резис-
тор СРБ2 в цепи катушки РБ2.
Защита от заземления осуществля-
ется аналогично тепловозу 2ТЭ10Л.
Защита по максимальному току
генератора необходима в том случае,
когда ток тягового генератора пре-
высит допустимое значение. Сраба-
тывает реле РМ1, включенное в цепь
максимального из токов ТПТ. При
этом блок-контакт РМ1 включит ка-
тушку реле РУ2, которое своим раз-
мыкающим блок-контактом выклю-
чит возбуждение возбудителя и тя-
гового генератора и контакторы ГН—
П6. Замыкающий блок-контакт РУ2
обеспечивает питание катушки РУ2
независимо от положения реле РМ1.
Чтобы восстановить схему, нужно пе-
ревести главную рукоятку контролле-
ра на нулевую позицию.
Выпрямительную установку необ-
ходимо защищать при пробое венти-
лей. При пробое одного из плеч
выпрямительной установки по катуш-
ке реле РМ2 потечет ток, блок-кон-
такт РМ2 разомкнет цепь контакто-
ров ВВ и КВ, обеспечив полное
выключение нагрузки тягового гене-
ратора. Так как реле РМ2 имеет
защелку, то оно не выключается да-
же при прекращении тока в катуш-
ке.
При срабатывании автоматов
защиты электродвигателей приводов
вентиляторов передней и задней те-
лежек или выпрямительной установ-
ки размыкаются блок-контакты 1АТ,
2АТ или АВУ и выключают контак-
торы КВ и ВВ.
Защита от включения нагрузки
на позициях контроллера выше пер-
вой осуществляется размыкающим
блок-контактом РУ8 в цепи катушки
реле РВЗ.
Если напряжение стартер-генера-
тора превысит допустимое значение,
то включится реле РЗН, размыкаю-
щий блок-контакт которого выклю-
чит возбуждение стартер-генератора.
При необходимости аварийной ос-
тановки дизеля нужно нажать кнопку
КА. При этом включится реле РУЗ и
электропневматический вентиль ти-
фона ВТ. Реле РУЗ своими блок-
контактами обеспечит питание ка-
тушки РУЗ и вентиля ВТ, минуя
кнопку КА', включит катушку элек-
тропневматического вентиля ВА ава-
рийной остановки дизеля; включит
подачу песка под колесные пары;
выключит контактор КТН и топлив-
ный насос TH.
При уменьшении разрежения в
картере дизеля замкнется блок-
контакт КДМ дифманометра и вклю-
чит вентиль ВА аварийной остановки
дизеля.
Если температура воды или масла
повысится выше заданной, то зам-
кнется блок-контакт ТРВ1 (или
ТРВ2) или ТРМ и включит РУ2, ко-
торое своим блок-контактом обеспе-
чит отключение нагрузки тягового
генератора. При падении давления
масла замыкается блок-контакт
РДМ2 и также включает РУ2. Блок-
контакты РУ8 и РУ4 в этой цепи
283
исключают возможность отключения
нагрузки на позициях ниже 12-й.
При срабатывании автостопа или
падении давления в тормозной ма-
гистрали замыкаются блок-кон-
такты ЭПК или ДДР, которые
включают катушку реле РУ1. Реле
своими блок-контактами обеспечи-
вает отключение нагрузки тягового
генератора, подает питание на ка-
тушку РУ1, минуя блок-контакт
ДДР. При повышении давления в
тормозных цилиндрах размыкается
блок-контакт ДТП и выключает реле
РУ1.
Сигнализация. При срабатывании
РУ1 включается сигнальная лампа
ЛРТ «Обрыв тормозной магистра-
ли».
Во время боксования включается
звуковой сигнал СБ и загорается
сигнальная лампа ЛН «Сброс на-
грузки». При отключении одного из
автоматов ATl, АТ2 или АВУ вклю-
чается сигнальная лампа ЛО «Обдув
ТЭД и ВУ».
При снижении давления масла
включается сигнальная лампа ЛДМ
«Давление масла». Если на 1 — 15-й
позициях контроллера по каким-либо
причинам не включится РУ5, что
свидетельствует о неисправности це-
пи контакторов КВ и ВВ, то вклю-
чится сигнальная лампа ЛН «Сброс
нагрузки».
Описание некоторых вспомогатель-
ных цепей тепловоза ввиду их прос-
тоты здесь не приведено.
Глава 11. ЭКИПАЖ ТЕПЛОВОЗА
11.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ЭКИПАЖЕ
Основные узлы экипажа. К эки-
пажной части тепловоза относятся
те его узлы и конструкции, которые
служат для размещения дизеля, пе-
редачи и вспомогательного оборудо-
вания, а также для создания (во
взаимодействии с рельсами) силы тя-
ги, для передачи горизонтальных
усилий (тяговых и тормозных) к
составу, а вертикальных нагрузок —
на рельсы. Конструкция экипажа
является, таким образом, одновре-
менно основанием для всей силовой
установки тепловоза и механизмом
для реализации силы тяги и про-
цесса движения.
Основными узлами экипажа теп-
ловоза являются главная рама 26
(см. рис. 1.3) с ударно-сцепными
устройствами (автосцепками) 21,
кузов 12 и ходовые части, к ко-
торым относятся тележки 25 с ко-
лесными парами 23, буксами и рес-
сорным подвешиванием. Узлы и де-
тали экипажной части работают в
сложных условиях и выполняют раз-
личные функции.
Главная рама тепловоза служит
основанием для силовой установки.
Через нее передаются вертикальная
нагрузка — на ходовые части, а гори-
зонтальные силы — через автосцеп-
ку — к составу. Кузов служит на-
ружным ограждением силовой уста-
новки тепловоза и вспомогательно-
го оборудования, защищающим их от
атмосферных воздействий. На неко-
торых тепловозах кузов конструктив-
но объединен с рамой и воспри-
нимает ее нагрузки («несущий ку-
зов») .
Колесные пары направляют дви-
жение локомотива по рельсовой ко-
лее, передают его вес на рельсы и,
опираясь на них, участвуют в реали-
зации силы тяги, создаваемой двига-
телем тепловоза, а также тормозной
силы. Оси колесных пар тепловозов
вращаются в подшипниках букс,
которые связаны с рамой (тележки
или тепловоза). Для уменьшения ди-
намического воздействия тепловоза
на путь и смягчения обратного дей-
ствия — ударов на неровностях пути
на оборудование силовой установки
тепловоза и на локомотивную брига-
ду — рама опирается на буксы через
упругие звенья (рессоры или пружи-
ны) , образующие упругое (или так
называемое рессорное) подвешива-
ние.
Число осей (колесных пар) тепло-
воза определяется его весом и до-
пустимой нагрузкой от оси на рель-
сы. Тепловозы с электрической пе-
редачей, имеющие большой вес, вы-
полняются обычно не менее чем с
шестью осями. При таком количест-
ве осей и размещении их в одной
общей раме возникали бы затруд-
нения для движения локомотива в
кривых участках пути. Как видно
по рис. 11,1, а многоосный локомо-
тив может двигаться по криволиней-
ному пути только в случае, если
его колесные пары будут иметь воз-
можность перемещаться поперек оси
Рис. 11.1. Схемы движения тепловоза в кривых
участках пути:
а — экипаж в жесткой раме; б — тележечный эки-
паж
285
экипажа. Величину наибольшего не-
обходимого поперечного смещения
(разбега) колесных пар можно
приближенно подсчитать по формуле
y — B^/^R, где Б — жесткая база
экипажа (расстояние между крайни-
ми осями по схеме рис. 11.1, а), м;
R — радиус кривой, м.
При радиусе кривой /? = 125 м
(на деповских путях) и базе Б —
= 12,8 м необходимое смещение
средних (или крайних) осей составит
у «0,164 м= 164 мм. Такую величину
свободного перемещения при одно-
временной передаче большой мощ-
ности и вертикальной нагрузки осу-
ществить практически трудно.
Для облегчения прохождения теп-
ловозами кривых участков пути их
колесные пары (ведущие оси) объ-
единяются в две тележки (рис.
11.1,6), каждая из которых имеет
возможность поворачиваться отно-
сительно оси локомотива на неко-
торый угол 6. Этот угол невелик
и не превышает для магистральных
тепловозов 3—3,5° (при минималь-
ном радиусе кривых 125 м) и для
маневровых и промышленных тепло-
возов — 4—7° (при минимальном ра-
диусе от 80 до 40 м).
База тележки б в несколько раз
меньше базы тепловоза Б (за кото-
рую в данном случае принимается
расстояние между осями поворота
тележек), поэтому в трехосных те-
лежках величина необходимого раз-
бега средней оси не превышает
14—15 мм. Современные магистраль-
ные тепловозы имеют тележечные
экипажи. Промышленные тепловозы
небольшой мощности с гидравли-
ческой передачей, имеющие всего
две-три оси, выполняются без теле-
жек. Их колесные пары своими бук-
сами устанавливаются прямо в глав-
ной раме.
11.2. КОЛЕСНЫЕ ПАРЫ
Устройство колесных пар и условия
их работы. Колесные пары являются
важным узлом ходовой части же-
286
лезнодорожного подвижного соста-
ва, обеспечивающим его взаимодей-
ствие с рельсовым путем. Колеса
передают на рельсы вертикальные
статические (вес) и динамические
нагрузки. Колеса локомотивов во
взаимодействии с рельсами реализу-
ют продольные горизонтальные силы
(силы тяги и тормозные). Кроме то-
го, направляя движение подвижного
состава в рельсовой колее, колеса пе-
редают поперечные горизонтальные
(направляющие) силы. Именно с
этим связана важная особенность
ходовых частей железнодорожного
подвижного состава, отличающая его
от других видов наземного колесного
транспорта: колеса жестко связаны с
осью в один вращающийся как одно
целое узел, называемый колесной
парой.
Колесные пары, состоящие из оси
и двух колес, могут различаться
по месту расположения на оси бурс
и подшипников, передающих на нее
вертикальную нагрузку (рис. 11.2, а).
Они могут быть расположены сна-
ружи колес 1 и опираться на высту-
пающие наружные концы а оси 2,
называемые шейками, или между ко-
лесами (опорные шейки в этом слу-
чае находятся на внутренней части
оси). Первая схема делает более
удобным обслуживание подшипни-
ков в эксплуатации и широко при-
меняется на различных типах под-
вижного состава, в том числе и на
большинстве тепловозов. Вторая
схема, неудобная для обслужива-
ния букс, применяется на парово-
зах, у которых на внешней поверх-
ности колес размещаются детали
приводного дышлового механизма.
Такое же устройство имеют колес-
ные пары некоторых промышленных
тепловозов с гидропередачей и ана-
логичным приводом (см. рис. 1.5, в).
Локомотивные колесные пары
имеют устройства для тягового при-
вода. Их оси по существу являются
валами, передающими на колеса
вращающий момент. На ось момент
передается обычно через тяговую
зубчатую передачу (рис. 11.2, б).
При цилиндрических зубчатых ко-
лесах 3 колесная пара может иметь
симметричный двусторонний привод.
Такую конструкцию имеют колесные
пары ряда электровозов. На тепло-
возах из-за трудностей размещения
тяговых электродвигателей соответ-
ствующей мощности применяется не-
симметричный (боковой) односто-
ронний привод.
У тепловозов с гидропередачей
и карданным приводом ведущих ко-
лесных пар зубчатое колесо 4 укреп-
ляется ближе к середине оси (цен-
тральный привод).
Колесные пары являются одними
из наиболее ответственных деталей
ходовых частей тепловозов. Конст-
рукция и состояние колесных пар
значительно влияют на плавность
хода тепловоза и его воздействие
на путь, на равномерность реализу-
емой колесной парой силы тяги и на
величину сопротивления тепловоза
движению. Безопасность движения
любого типа подвижного состава во
многом определяется именно этими
же факторами: конструкцией и сос-
тоянием колесных пар.
Типы, основные размеры и техни-
ческие условия на изготовление
колесных пар определяются государ-
ственными стандартами, а их содер-
жание и ремонт — Правилами тех-
нической эксплуатации железных
дорог Союза ССР (ПТЭ) и специаль-
ной Инструкцией по освидетельство-
ванию, ремонту и формированию ко-
лесных пар локомотивов и электро-
секций (ЦТ-2306).
На большинстве отечественных
тепловозов с нагрузкой от оси
на рельсы до 225 кН применяются
колесные пары с колесами диамет-
ром 1050 мм. На новых пассажир-
ских тепловозах ТЭП70 колеса имеют
диаметр 1220 мм. На опытных гру-
зовых тепловозах с нагрузкой от оси
на рельсы до 245 кН диаметр ко-
лес принят 1250 мм. Больший диа-
метр колес способствует снижению
величины контактных напряжений
в колесе и рельсе, уменьшает из-
нос колес и увеличивает габариты
пространства, которое может зани-
мать тяговый электродвигатель. В то
же время применение колес большего
диаметра имеет и отрицательные
последствия, главное из них — уве-
личение веса. Масса колесной пары
с диаметром колес 1250 мм примерно
на 500 кг больше, чем обычной (с
диаметром колес 1050 мм).
Колесные пары магистральных
тепловозов с электрической переда-
чей (2ТЭ10В, 2ТЭ116 и др.) имеют
составные (бандажные) колеса. В
такой конструкции (рис. 11.3) на ось
/ напрессованы колесные центры
2, а на последние в горячем сос-
тоянии насажены кольцевые банда-
жи 3. Между колесами размещается
ведомое зубчатое колесо 5. Такая
конструкция специфична для всех
тепловозов с так называемым опор-
но-осевым подвешиванием тяговых
электродвигателей.
Оси тепловозов вытачивают из
специальных кованых осевых загото-
вок углеродистой стали Ос.Л. Ось
имеет круглое поперечное сечение с
различными диаметрами по длине
(см. рис. 11.3) в зависимости от
назначения ее частей. Наружные кон-
цевые шейки а служат для разме-
щения на них буксовых подшипни-
ков. Наибольший диаметр имеют под-
ступичные части в, на которые нап-
рессованы колесные центры, и г, где
сидит зубчатое колесо 5. Внутренние
шейки д служат опорой для мо-
торно-осевых подшипников тягового
Рис. 11.2. Типы колесных пар
287
электродвигателя. Между наружны-
ми шейками и подступичными частя-
ми находятся промежуточные
предподступичные части б, обеспе-
чивающие постепенный переход от
диаметра шейки (160 мм) к диамет-
ру подступичной части (235 мм).
На ось в эксплуатации действуют
знакопеременные нагрузки, и ее ма-
териал работает на усталость. Поэто-
му плавность переходов (галтелей)
от одного диаметра к другому имеет
большое значение, чтобы избежать
концентрации напряжений и возмож-
ности появления так называемых
усталостных трещин. Цилиндричес-
кие поверхности оси (кроме средней
части е) и их галтели упрочняются
накаткой стальными закаленными
роликами при нажатии на ролик
30—40 кН.
Поверхности шеек оси после накат-
ки шлифуют под посадку буксовых
подшипников. По торцам оси в про-
цессе обработки засверливаются
центровые отверстия, в одно из кото-
рых затем вставляется втулка при-
вода валика скоростемера. Оси
различных тепловозов отличаются
разными длинами шеек и предподсту-
пичных частей и исполнением тор-
цовых частей шеек.
Колесные центры отливают из мар-
теновской стали 25 Л III центро-
бежным способом. Наружная часть
колесного центра — обод — и внут-
ренняя — ступица — подвергаются
механической обработке для сопря-
жения в последующем соответствен-
но с бандажом и осью. Конструк-
ции колес и колесных центров раз-
личаются по исполнению части,
соединяющей обод и ступицу в одно
целое. Обычно это диск — плоский
или с небольшой конусностью (см.
рис. 11.3). Такие колеса называют
дисковыми. При большом диаметре
дисковое колесо оказывается чрез-
мерно тяжелым. На тепловозе
2ТЭ121 применены спицевые колеса,
в которых обод и ступица колес-
ного центра соединены спицами.
Бандажи прокатываются из спе-
циальной бандажной стали. Новым
бандажам в процессе изготовления
после механической обработки при-
дается определенная форма наруж-
ной поверхности — поверхности ка-
тания, имеющей важное значение для
рационального взаимодействия коле-
са и рельсового пути. Стандартный
профиль (сечение) бандажа (рис.
11.4) состоит из гребня а и двух
конических поверхностей: основ-
ной—с конусностью 1:10 (уклон
1:20) и боковой — с конусностью
1:3,5 (уклон— 1:7), а также торцо-
вой фаски под углом 45°.
Внутренняя поверхность бандажа
цилиндрическая с буртиком б для
упора обода колесного центра и па-
зом в для пружинного кольца 4 (см.
рис. 11.3), фиксирующего бандаж
на ободе.
15В0межВукругами катания
Рис. Н.З. Колесная пара тепловозов с электрической пе-
редачей
288
Стандартная ширина тепловозных
бандажей 140 мм, толщина ново-
го бандажа 75 мм, планируется
применение бандажей толщиной
85 мм.
Гребень (реборда) направляет
движение колеса по рельсовой колее
и предохраняет колесную пару от
схода с рельсов.
Конусность поверхности катания
способствует центрированию колес-
ной пары в рельсовой колее и облег-
чает прохождение кривых участков
пути. Колесо, бегущее по наружному
рельсу, катится по нему окружностью
большего диаметра, чем внутреннее
колесо, и, следовательно, проходит
несколько больший путь по дуге
большего радиуса. В результате ко-
лесная пара устанавливается при
движении в кривой по ее радиусу,
что способствует движению без про-
скальзывания и повышенного изно-
са. Конусность внешней части банда-
жа (конусность 1:3,5) и фаска облег-
чают прохождение стрелочных
переводов.
Бандаж является наиболее изна-
шиваемой частью колесной пары.
Основным видом его износа являет-
ся прокат поверхности катания, т. е.
потеря правильной формы ее профи-
ля, а также износ (подрез) гребня.
В связи с коничностью поверх-
ности катания колеса его диаметр
и толщину бандажа, а также и ве-
личину проката измеряют в условной
средней плоскости — по так назы-
ваемому кругу катания — на рас-
стоянии 70 мм от внутренней грани
бандажа. Расстояние между кругами
катания двух колес составляет
1580 мм (с допусками +1, — 3 мм).
По мере износа и достижения
предельных значений проката и тол-
щины гребня колесные пары подвер-
гаются обточке бандажей, при кото-
рой восстанавливается их первона-
чальный профиль. При этом, естест-
венно, уменьшается толщина банда-
жей и диаметр круга катания ко-
лес. Предельные нормы износа и
толщины бандажей установлены
ПТЭ. Достигшие предельной толщи-
10 Зак. 443
Рис. 11.4. Профиль бандажей колесных
пар тепловозов
ны бандажи заменяются новыми, что
продляет срок службы всей колесной
пары.
На маневровых тепловозах ТГМЗА,
поездных ТГ16 и дизель-поездах
ДР1 колесные пары имеют безбан-
дажные цельнокатаные колеса,
поверхность катания которых состав-
ляет одно целое с колесным центром.
Такая конструкция позволяет умень-
шить массу колесной пары и снизить
трудоемкость ее изготовления. Одна-
ко по достижении предельной тол-
щины обода такая колесная пара
должна сниматься с эксплуатации.
Зубчатое колесо 5 колесной пары
(см. рис. 11.3) является ведомым,
оно входит в зацепление с ведущей
шестерней, находящейся на валу
тягового электродвигателя. Ведомое
зубчатое колесо колесных пар всех
серий отечественных тепловозов из-
готовлено из хромоникелевой стали
45ХН. Оно состоит из ступицы, дис-
ка и обода, выполненного в виде
зубчатого венца, имеющего 75 пря-
мых зубьев модуля 10 мм. Отверстие
в ступице шестерни имеет со сто-
роны колесного центра на длине
20 мм расточку с конусностью
1:20, облегчающую посадку зубчато-
го колеса на ось и способствую-
щую уменьшению концентрации
напряжений. На посадочной поверх-
ности в середине имеется кольце-
вая канавка шириной 10 мм,предназ-
наченная для облегчения демонтажа
289
зубчатого колеса. Канавка сообща-
ется с резьбовым отверстием в теле
ступицы, через которое под ступицу
нагнетается масло под давлением
при спрессовке зубчатого колеса.
Аналогичные устройства, облегчаю-
щие монтаж и демонтаж, имеют и
колесные центры.
Со стороны средней части оси
ступица имеет выточку, в которую
запрессовано штампованное масло-
отбойное кольцо, предотвращаю-
щее попадание смазки из кожуха
зубчатой передачи в моторно-осевые
подшипники тягового электродвига-
теля.
Рабочая поверхность зубьев коле-
са закаливается токами высокой
частоты, впадины зубьев упрочняют-
ся накаткой.
На тепловозах 2ТЭ10В (а также на
2ТЭ116) применяются колесные пары
с упругими зубчатыми колесами.
Такое колесо (рис. 11.5) имеет слож-
ную конструкцию и состоит из многих
деталей. Основные из них: зубчатый
венец 9, ступица 14, тарелки 3
и упругие резинометаллические ком-
плекты.
Тарелки 3 присоединены к диску
ступицы 14 при помощи восьми
втулок 12 на тугой посадке и стянуты
болтами 1 с гайками 13 и шайбами.
Зубчатый венец 9 соединен с та-
релками 3 шестнадцатью резино-
металлическими комплектами / и //,
равномерно и поочередно располо-
женными по окружности.
Упругий комплект представляет со-
бой стальной палец с насаженными
на него резиновыми втулками-амор-
тизаторами, на которые в свою оче-
редь напрессованы стальные втулки.
Таким образом каждый резиновый
амортизатор находится между дву-
мя металлическими деталями: паль-
цем и втулкой.
В конструкции зубчатого колеса
применены упругие комплекты двух
типов: с тремя (/) и двумя (//)
резиновыми амортизаторами. Трой-
ной комплект / состоит из пальца
5, двух крайних амортизаторов 7
с втулками 4, вставленными в
отверстия тарелок 3, и среднего
амортизатора 10, втулка которого
вставлена в отверстие зубчатого вен-
ца 9.
Посадка всех втулок скользящая,
втулки фиксируются в отверстиях
тарелок и венца пружинными стопор-
ными кольцами 8, препятствующими
продольному смещению резиноме-
таллического комплекта.
Двойной комплект II не имеет
среднего амортизатора, средняя
часть его пальца 15 имеет больший
диаметр и установлена в отверстие
венца 9 с радиальным зазором 5 мм.
Наружная поверхность средней час-
ти пальца 15 не цилиндрическая,
а бочкообразная (Ri =270 мм).
Тангенциальная нагрузка от зуб-
чатого венца воспринимается внача-
ле восемью тройными комплек-
тами /. Они имеют меньшую жест-
кость. После их деформации при
смещении зубчатого венца примерно
на 1° выбирается зазор между паль-
цами 15 и отверстиями венца и наг-
рузка от венца воспринимается
восемью двойными комплектами II,
амортизаторы которых имеют более
высокую жесткость.
Таким образом, благодаря различ-
ной упругости амортизаторов ком-
плектов I и II зубчатое колесо
290
имеет переменную тангенциальную
жесткость.
Для предотвращения выпадания
пальцев и втулок в случае повреж-
дения амортизаторов служат кольца
6 и 11, приклепанные к тарелкам
3.
Центровка венца относительно сту-
пицы и радиальная жесткость коле-
са обеспечиваются установкой меж-
ду ними (сплошь по окружности)
коротких роликов 2. Благодаря боч-
кообразности наружной поверхности
диска ступицы (/?2 = 300 мм) и при
наличии боковых зазоров между дис-
ком венца и тарелками 3 зубчатый
венец может самоустанавливаться,
обеспечивая равномерный контакт
зубьев шестерен тягового редуктора
при перекосах вала тягового элек-
тродвигателя относительно оси ко-
лесной пары.
Применение упругих зубчатых ко-
лес повысило надежность работы
и срок службы тягового редуктора
и улучшило условия работы тяго-
вых электродвигателей за счет зна-
чительного снижения величины дина-
мических усилий в передаче при
движении тепловоза.
Колесные пары тепловозов с гид-
равлической передачей отличаются
от вышерассмотренных только
устройствами для передачи вращаю-
щего момента. На тепловозах ТГМЗ,
имеющих карданно-редукторный
привод, ведомое зубчатое колесо
насаживается не рядом с колесным
центром, а ближе к средней части
оси, что позволяет по обе стороны от
него на оси разместить опорные
подшипники осевого редуктора.
На тепловозах ТГМ1 с дышловым
приводом ведущих осей и с разме-
щением их в жесткой раме конструк-
ция колесных пар иная. Оси имеют
не внешние, а внутренние буксовые
шейки. В колесные центры установ-
лены пальцы кривошипов, на кото-
рые навешиваются дышла, передаю-
щие осям вращающий момент от
вала дизеля.
Формирование колесных пар.
Это процесс сборки колесных пар из
10*
новых элементов при их изготовле-
нии. Формирование колесной пары
тепловоза начинается с посадки на
ось зубчатого колеса (или его сту-
пицы) .
Прочность посадки обеспечивается
натягом, т. е. превышением диамет-
ра подступичной части оси над
диаметром отверстия в ступице на
0,12—0,16 мм. Посадка осуществля-
ется тепловым способом в горячем
состоянии (шестерня нагревается до
температуры не выше 200 °C). Пред-
варительно подступичная часть оси
покрывается тонким слоем (не более
0,02 мм) лака (клея) ГЭН-150(В).
Это покрытие исключает непосред-
ственный контакт металла оси и сту-
пицы и предохраняет обе поверхности
от коррозии. При изготовлении ко-
лесных пар тепловозов ТЭЗ приме-
нялась и холодная (прессовая) по-
садка шестерен на ось с усилием
500—800 кН.
Прочность посадки проверяется
на прессе. После остывания шестерни
она при продольном усилии до 700 кН
не должна сдвигаться.
Ось с шестерней запрессовывают
в колесные центры на прессе в хо-
лодном состоянии. Очищенные поса-
дочные поверхности оси и центра
предварительно смазывают расти-
тельным маслом. Натяг лежит в пре-
делах 0,18—0,30 мм. Усилие в конце
запрессовки колесного центра со-
ставляет 950—1400 кН (при запрес-
совке колесного центра с банда-
жом— 1100— 1500 кН).
Для контроля за прочностью по-
садки на ось колесных центров
пресс, на котором формируется ко-
лесная пара, оборудован маномет-
ром, автоматически записывающим
давление запрессовки в виде так
называемой диаграммы запрессовки,
которая приобщается к паспорту
колесной пары. При нормальной по-
садке кривая запрессовки выглядит
плавной, монотонно нарастающей
кривой. При формировании колес-
ных пар пассажирских тепловозов
для посадки колесных центров при-
меняют тепловой способ.
291
У колесных пар должно быть
строго соблюдено расстояние между
внутренними гранями бандажей —
1440 мм (с отклонениями не более
+ 1,-3 мм); при этом необходимо,
чтобы колесные центры находились
на одинаковом расстоянии от сере-
дины оси (разность этих расстояний
не должна быть больше 2 мм).
Бандаж насаживается на обод ко-
лесного центра в нагретом состоя-
нии (до температуры 250—300 °C).
Натяг составляет 1,1 — 1,45 мм. При
нагревании внутренний диаметр бан-
дажа увеличивается и превышает
диаметр обода на 1,2—1,5 мм, это
позволяет свободно опустить колес-
ный центр в бандаж, до упора в
буртик б (см. рис. 11.4) на его внут-
ренней поверхности. При медленном
остывании бандаж плотно сжимает
центр. Пока температура бандажа
не упала ниже 200 °C, в паз в (см.
рис. 11.4) бандажа заводят кольцо
(см. рис. 11.3) и обкатывают при-
жимной бурт бандажа для плотного
охвата кольца.
Таким образом, упорный буртик
препятствует смещению бандажа в
одну сторону, а пружинное кольцо
4 — в другую.
Для последующего контроля не-
подвижности бандажа относительно
колесного центра на боковой по-
верхности бандажа накернивают по
дуге несколько лунок, а на ободе
колесного центра тупым зубилом
делают риску глубиной 1 мм против
средней лунки. Чтобы контрольные
отметки легко было найти в условиях
эксплуатации, на месте их располо-
жения наносят полосу шириной
25 мм: на бандаже красной краской,
а на ободе белой.
На деталях колесных пар: осях,
бандажах, колесных центрах и зуб-
чатых колесах в процессе их изго-
товления и формирования выбивают-
ся клейма, предусмотренные инструк-
цией ЦТ-2306.
На вновь сформированных колес-
ных парах центры окрашивают чер-
ной масляной краской, а наружные
грани бандажей — белой.
292
11.3. ПЕРЕДАЧА
ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА
К КОЛЕСНЫМ ПАРАМ
Привод ведущих колесных пар при
электрической передаче. Привод мо-
жет быть индивидуальным или груп-
повым. Тепловозы с электрической
передачей в СССР и за рубежом
почти исключительно имеют инди-
видуальный привод колесных пар,
т. е. каждая колесная пара имеет
отдельный тяговый электродвига-
тель, приводящий ее во вращение.
Возможен и групповой привод: один
двигатель, размещенный на тележке,
приводит все ее колесные пары
(мономоторная тележка). Такая
схема, .которая применялась во
французском локомотивостроении,
имеет некоторые преимущества в
отношении динамических воздейст-
вий при высокоскоростном движении,
а также в использовании сцепного
веса (см. ниже). При групповом
приводе значительно уменьшается
возможность боксования колесных
пар. Однако на трехосных тележ-
ках схема с одним двигателем
требует сложной системы зубчатых
колес для передачи момента на ко-
лесные пары. Поэтому в отечествен-
ном тепловозостроении применяется
только индивидуальный привод.
Вращающий момент от тягового
электродвигателя к колесной паре
при индивидуальном приводе пере-
дается при помощи одноступенчато-
го тягового редуктора, состоящего
из цилиндрической зубчатой пары:
ведущей шестерни — на валу тяго-
вого двигателя и ведомого зубчато-
го колеса — на оси колесной пары.
В тепловозостроении зубчатая пе-
редача из-за ограниченных габари-
тов пространства для размещения
тягового электродвигателя выполня-
ется, как правило, односторонней,
несимметричной относительно про-
дольной оси тепловоза и поэтому
состоит из прямозубых колес. (В
электровозостроении применяется
и двусторонняя передача — ведущие
шестерни размещаются на обоих
концах вала тягового двигателя.
Такая схема делает передачу момен-
та симметричной относительно про-
дольной оси тепловоза и позволяет
применять косозубые передачи, от-
личающиеся более плавной работой.)
При односторонней передаче не-
избежны некоторые смещения осей
шестерен и перекосы зубьев в за-
цеплении, которые приводят к их
неравномерному износу. Для устра-
нения вредного влияния перекосов
у зубьев ведущей шестерни одна
из сторон выполняется с небольшим
скосом (на 0,20—0,24 мм). Таким
образом, зубья оказываются заранее
скошенными на угол 5—6' в сторо-
ну, противоположную перекосу под
нагрузкой, поэтому в процессе рабо-
ты контакт между зубьями обеих
шестерен становится более равномер-
ным по их длине.
Передаточное число тягового ре-
дуктора зависит от назначения теп-
ловоза: у грузовых и маневровых
оно больше и составляет обычно
4,41 =75/17, у пассажирских меньше
(например, у тепловозов ТЭП60—
2,32, у ТЭП70 — 3,12).
Подвешивание тяговых электро-
двигателей на тележке при индиви-
дуальном приводе колесных пар
должно обеспечить передачу вра-
щающего момента при одновремен-
ном подрессоривании массы двига-
теля. Дело в том, что момент от
вала двигателя к колесной паре
может передаваться, только если
корпус двигателя будет закреплен.
Однако если закрепить корпус на ра-
ме тележки, то при ее колебаниях
будет нарушаться зацепление меж-
ду шестернями тягового редуктора.
Поэтому корпус двигателя, связан-
ный с рамой тележки, должен од-
новременно быть связанным и с ко-
лесной парой, чтобы не менялось
межцентровое расстояние редуктора.
Это можно обеспечить, если двига-
тель будет иметь с одной стороны
опору на раму тележки, а с другой —
на колесную пару.
Такую систему подвешивания тя-
говых электродвигателей (двигатель
жестко опирается на ось колесной
пары и через упругие звенья на раму
тележки) называют опорно-осевой.
При опирании двигателя на колес-
ную пару жестко передается при-
мерно половина его веса. Если дви-
гатель полностью закрепить на раме
тележки, получим опорно-рамное
подвешивание. В этом случае тяго-
вый привод должен быть упругим
и компенсировать смещения двига-
теля относительно колесной пары.
Первая схема применяется на се-
рийных грузовых и маневровых теп-
ловозах, вторая (конструктивно бо-
лее сложная) — на пассажирских и
мощных грузовых (2ТЭ121) тепло-
возах.
Опорно-осевое подвешивание тя-
говых электродвигателей получило
наибольшее распространение в со-
ветском тепловозостроении (тепло-
возы 2ТЭ10В, ТЭЗ, 2ТЭ116, ТЭМ2
и др.).
Тяговый электродвигатель 1 (рис.
11.6) имеет три опорные точки.
Он опирается на специальные опор-
ные шейки средней части оси 4
колесной пары двумя моторно-осе-
выми подшипниками 15. Размещение
подшипников вала тягового двига-
теля и оси колесной пары в одном
корпусе гарантирует неизменность
межцентрового расстояния зубчатой
передачи 2—3 (в пределах допус-
ков на износ подшипников).
Третья опора (подвеска к раме
тележки) выполнена упругой — че-
рез пружинный комплект, состоящий
из четырех пружин 7. Пружины,
работающие параллельно, сжаты
между двумя обоймами 6, скреплен-
ными по концам двумя болтами 12.
Пружинный комплект установлен
между выступами (верхними 8 и
нижними 5) литого кронштейна под-
вески, приваренного к раме тележки.
По оси крайних пружин комплекта
через отверстия в выступах и обой-
мах снизу вверх пропускаются два
стержня 9, скрепляющие комплект
с рамой. Стержни 9 предохраняют-
ся от выпадания вниз валиками 13.
Предварительно сжатый болтами 12
293
A-A
Рис. 11.6. Опорно-осевое подвешивание тягового электродвигателя
294
пружинный комплект охватывается
выступами 10 корпуса двигателя, и
после ослабления гаек на болтах
12 до упора в шплинты пружины
в распор прижимают обоймы 6 к
выступам 10 (рабочие поверхности
обойм усилены наваркой сменных
износостойких пластин 11).
Моторно-осевые подшипники
скольжения состоят каждый из двух
вкладышей из свинцовистой бронзы
ОЦС 4-4-17. Один вкладыш — верх-
ний — вставляется в расточку корпу-
са тягового электродвигателя,
второй — нижний — в «шапку»
(крышку) 19, притягиваемую к кор-
пусу болтами. Нижний вкладыш
имеет прямоугольное окно для под-
вода смазки (осевого масла) к шейке
оси.
На тепловозах 2ТЭ10Л и ТЭЗ с
тяговыми электродвигателями типов
ЭД 107 и ЭДТ200Б (соответственно)
смазка шеек осуществляется кон-
тактным способом с помощью набив-
ки из полушерстяной пряжи. Масло
заливается в масляную ванну в шап-
ке 19 через верхнюю масленку
16 в крышке. Набивка укладывает-
ся до заливки масла в следующей
последовательности. Сначала не-
посредственно на шейку вдоль стенки
полости шапки укладывается войлоч-
ная прокладка а (показана на рис.
11.6 сплошной черной линией — см.
сечение Б—Б), которая предохра-
няет набивку от истирания и за-
тягивания в подшипник. Затем раз-
мещают заблаговременно пропи-
танные маслом пять мотков полушер-
стяной пряжи: четыре — вдоль про-
кладки, а пятый, сложенный вчет-
веро,— на дно масляной ванны,
прижимая расправленные по дну
концы первых четырех мотков. На-
бивка, прижатая пружинной планкой
17, равномерно распределяет масло
по всему окну во вкладыше. Сверху
набивки укладывают слой хлопчато-
бумажной путанки, пропитанной в
масле. Уровень смазки в подшипни-
ке проверяется наклонным шупом
через нижнюю масленку 18. Его вы-
сота (по шупу) должна быть в пре-
делах 45—90 мм.
Средняя часть оси, между мотор-
но-осевыми подшипниками, закрыва-
ется защитным кожухом.
На тяговых электродвигателях теп-
ловозов 2ТЭ10В применена более со-
вершенная «польстерная» смазка мо-
торно-осевых подшипников. Для по-
дачи смазки в каждом подшипнике
используется пакет («польстер») 12
из двух войлочных пластин с хлопча-
тобумажными фитилями между ни-
ми. Пакет закреплен в коробке И
скобой 10 (рис. 11.7).
Коробка снаружи имеет пластин-
чатые пружины 8, за счет упругости
которых она вставлена в распор в
корпус 9. Пружина 6 прижимает
коробку с польстером к шейке оси.
Нажатие пружины (40—60 Н) пре-
вышает сопротивление распорных
пружин 8, что обеспечивает контакт
польстера с шейкой. Рычаг 7 осью
1 соединен с корпусом 9, на котором
укреплена и пружина 6. Корпус 9
установлен на нижней стенке шапки
5 подшипника. Уровень смазки в
масляной ванне контролируется по
стержню 3 поплавка 4 при откры-
тии крышки 2 или при помощи
щупа.
Тяговый редуктор огражден от
внешних воздействий кожухом 14
(см. рис. 11.6). Кожух состоит из
двух половин, изготовленных из лис-
товой стали на сварке, и укрепля-
ется на корпусе двигателя в трех
точках. Нижняя часть кожуха слу-
жит емкостью для смазки (типа
СТП) в количестве 3,5 л (на тепло-
возах 2ТЭ116 — до 5 л).
Опорно-рамное подвешивание
тяговых электродвигателей отличает-
ся от опорно-осевого тем, что весь
вес тягового электродвигателя пере-
дается на раму тележки. Это зна-
чительно снижает вес необрессорен-
ных частей локомотива, а следова-
тельно, его воздействие на путь.
Существуют различные конструкции
тягового привода при опорно-рамном
подвешивании.
295
7
Рис. 11.7. Моторно-осевой подшипник с польстером
Одним из распространенных яв-
ляется привод с помощью полого
вала и шарнирной муфты. Такой
привод применяется французской
фирмой «Альстом», поэтому его иног-
да называют просто «привод типа
Альстом». Такой тип привода с опор-
но-рамным подвешиванием применен
на тепловозах ТЭП60 (рис. 11.8)
и первых ТЭП70 (до № 008).
Тяговый электродвигатель 4 (см.
рис. 11.8) двумя лапами 5—при-
ливами на боковой стороне его осто-
ва — опирается на кронштейны 6,
укрепленные на поперечной балке
рамы тележки. На другой стороне
остова двигателя в середине шестью
Рис. 11.8. Схема опорно-рамного подвешива-
ния тягового электродвигателя
296
болтами укреплен стальной литой
кронштейн 1, который опирается на
кронштейн 7 на другой поперечной
балке рамы тележки. Таким образом,
двигатель имеет три точки опоры на
раму тележки, обеспечивающих его
правильную установку.
Моторно-осевые подшипники дви-
гателя, закрепленного на раме, не
опираются на ось 2, а поддержи-
вают полый вал 3 — цилиндрическую
гильзу наружным диаметром 315 мм,
на которой укреплена ведомая шес-
терня тягового редуктора. Полый
вал 3 охватывает ось 2 колесной
пары. Радиальный зазор между внут-
ренней поверхностью полого вала и
осью составляет в среднем 35 мм.
Такая его величина полностью
исключает возможность соприкосно-
вения этих деталей при колебаниях
ходовых частей.
Опорно-рамное подвешивание тя-
гового двигателя требует упругого
тягового привода и отражается на
устройстве колесной пары тепловоза
(рис. 11.9). Она состоит из оси 3,
колесных центров 6 с бандажами 8
и укрепляющими кольцами 7, поло-
го вала 4 с приводами 1 и 6.
Рассмотрим особенности деталей
колесной пары. Ось 3 для облег-
чения веса имеет сквозное централь-
ное отверстие диаметром 70 мм.
Колесный центр имеет два прилива
с отверстиями для запрессовки ве-
дущих пальцев 11 и два отверстия
диаметром 200 мм для прохода цапф
приводов.
На концы полого вала 3 насажены
в горячем состоянии и зафиксиро-
ваны штифтами 5 приводы 1 и 6 с
ведущими пальцами 10. Один из при-
водов (/) имеет дисковый фланец
для укрепления ведомой шестерни
2.
Вращающий момент от тягового
двигателя к колесной паре переда-
ется через эластичные муфты (рис.
11.10), размещенные на обоих коле-
сах. Муфта состоит из траверсы 6
и шарнирно с ней соединенных ва-
ликами 4 четырех поводков 5. Два
поводка соединяются с пальцами 2
привода муфты, два других — с паль-
цами 1 колесного центра. Головки
поводков надеваются на пальцы че-
рез резиновые амортизаторы 3.
Имеются и другие схемы тягово-
го привода при опорно-рамном под-
вешивании тяговых электродвигате-
лей (рис. 11.11). Одна из этих
схем (с полым валом тягового элек-
тродвигателя) применена на теплово-
зе 2ТЭ121.
Приводные механизмы тепловозов
с гидравлическими передачами. Вра-
щающий момент от выходного вала
гидропередачи к движущим осям теп-
ловоза может быть передан либо при
помощи дышлового (кривошипно-
шатунного) механизма, аналогично
паровозному, либо при помощи кар-
данного привода, состоящего из
системы телескопических валов, сое-
диненных так называемыми шарни-
рами Гука (или карданными муфта-
ми), и осевых редукторов.
Телескопические шлицевые соеди-
нения валов допускают в некоторых
пределах изменения расстояний меж-
ду выходным валом передачи и
устройствами привода на осях, кото-
рые неизбежны при движении и ко-
лебаниях локомотива. Шарниры до-
пускают также возникающие при
этом перекосы валов.
Дышловой механизм (рис. 11.12, а)
состоит из отбойного вала 3, полу-
чающего вращение от дизеля 1 че-
рез гидропередачу 2, и системы ды-
шел, связывающих его с движущи-
ми осями 6.
Отбойный вал ведущим дышлом 4
связан с одной из колесных пар
и приводит ее во вращение. Все
ведущие колесные пары соединены
между собой сцепными дышлами 5.
Передача движения к колесным па-
рам при помощи отбойного вала и
Рис. 11.9. Колесная пара тепловоза ТЭП60
297
Рис. 11.10. Эластичная
муфта тягового привода тепловоза ТЭП60
Рис. 11.11. Схема тягового привода с карданными валами при опорно-рамном подвешива-
нии:
а — с полым валом тягового электродвигателя; б — с полым карданным валом; в — с продольными
карданными валами
Рис. 11.12. Типы приводных устройств тепловозов с гидропередачей
298
дышлового механизма применяется
на двух-, трехосных маневрово-
промышленных тепловозах, оси кото-
рых размещены в общей жесткой
раме (ТГМ1, ТГМ23). Простой и на-
дежный дышловой механизм облада-
ет в то же время существенными
недостатками. Размещение непосред-
ственно на колесных парах эксцен-
трично расположенных массивных
дышел и кривошипов приводит к не-
уравновешенности механизма и к
значительным динамическим воздей-
ствиям на путь, особенно при высо-
ких скоростях движения. Необходи-
мость соединения всех осей дышлами
не позволяет использовать такой при-
вод на тележечных локомотивах. На
маломощных и сравнительно тихо-
ходных локомотивах указанные не-
достатки проявляются несуществен-
но, а простота конструкции окупает
себя. Это и определяет сферу приме-
нения дышлового механизма.
Карданный привод (рис. 11.12,6)
состоит из карданных валов 7 и осе-
вых редукторов 8 на ведущих осях.
Такой привод, как правило, применя-
ется на тележечных тепловозах. При
любом типе движущего механизма
привод ведущих осей на тепловозах
с гидропередачей является группо-
вым в отличие от индивидуального
привода осей при электрической пе-
редаче. Групповой привод позволяет
реализовать более высокие коэффи-
циенты сцепления между колесами
и рельсом. Иными словами, экипаж
с групповым приводом обладает
меньшей склонностью к боксованию,
что особенно важно для грузовых
и маневровых локомотивов. Эти пре-
имущества группового привода при-
вели к его применению на опыт-
ном тепловозе ТЭМ12, имеющем
электрическую передачу (см. рис.
11.11, в). Два его тяговых электро-
двигателя подвешены под рамой теп-
ловоза вдоль его оси; через сумми-
рующий редуктор их мощность рас-
пределяется по ведущим осям систе-
мой карданных валов.
Осевые редукторы советских теп-
ловозов — двухступенчатые. Ре-
дуктор (рис. 11.13) состоит из двух
зубчатых пар: конической 1—4 и
цилиндрической 3—6, размещенных
в стальном корпусе 5. Вращение
системой карданных валов переда-
ется через фланец ведущему валу 2.
Ведомая коническая шестерня 4
насажена непосредственно на удли-
ненную цапфу цилиндрической шес-
терни 3. Ведомая шестерня 6 сидит
Рис. 11.13. Осевой редуктор тепловозов ТГМЗ
299
непосредственно на средней части
оси 7 ведущей колесной пары. Под-
шипники редуктора роликовые и ша-
риковые. Последние воспринимают
осевые усилия.
11.4. БУКСЫ И ПОДШИПНИКИ
Назначение букс и подшипников.
Буксами называются узлы ходовой
части, предназначенные для переда-
чи через подшипники 3 (рис. 11.14)
вертикальной нагрузки Р (от веса
локомотива) на вращающиеся оси
колесных пар, а также для передачи
продольных горизонтальных (тяго-
вых F или тормозных В) сил от бук-
совых шеек 2 колесных пар через
раму движущемуся составу. Одно-
временно буксы (например, через
упоры /) воспринимают и передают
на раму боковые усилия У, направ-
ляющие движение колесной пары в
кривых участках пути. Под буксо-
вым узлом понимают комплект де-
талей, состоящий из корпуса буксы
с крышкой, подшипников, упоров и
уплотняющих устройств.
Основной частью букс являются
подшипники, в которых вращаются
шейки осей. Подшипники могут
быть двух типов: трения скольжения
и трения качения. Подшипники
скольжения просты по устройству,
но требуют тщательного ухода в
эксплуатации, контроля за наличием
смазки и состоянием подбивки (ана-
логичной моторно-осевым подшипни-
кам) и обладают более высоким
Рис. 11.14. Силы, действующие на шейку оси
и подшипник буксы
300
сопротивлением движению. Такие
подшипники устанавливались только
на первых серийных отечественных
тепловозах послевоенной постройки:
ТЭ1 и ТЭ2. Все современные теп-
ловозы имеют буксы с роликовыми
подшипниками качения. Буксы с
подшипниками качения более надеж-
ны, не требуют повседневного наб-
людения, обладают меньшим сопро-
тивлением движению.
Вертикальная нагрузка на буксы
обычно передается через упругие
элементы (пружины) 3 с балансира-
ми 4 или без них (рис. 11.15). Буксы
могут соединяться с рамой локомоти-
ва или тележки различными путя-
ми. Обычно вертикальными пазами
своего корпуса букса устанавливает-
ся в вертикальные же направляю-
щие (кронштейны) рамы (рис.
11.15, а). Проем между кронштейна-
ми рамы 2, в который устанавли-
вается букса /, называется буксо-
вой челюстью. Кронштейны рамы 2
снизу для повышения жесткости
скрепляются так называемой буксо-
вой стрункой 5. Букса в челюсти
имеет возможность перемещения по
вертикали. Челюстные буксы широко
применялись в тепловозостроении.
Однако им свойствен ряд недостат-
ков. Сочленение корпуса буксы с
буксовыми направляющими работает
в условиях трения скольжения и
сильно изнашивается. Износ приво-
дит к увеличению свободных про-
дольных и поперечных перемещений
(разбегов) колесных пар относитель-
но рамы. Такая «свобода» приводит
к повышенному вилянию колесных
пар в рельсовой колее и ухудшает
условия движения тепловоза. Силы
трения между направляющими и кор-
пусом буксы затрудняют вертикаль-
ные перемещения буксы (например,
при прохождении неровностей пути)
и делают движение тепловоза менее
плавным. Поэтому в последнее время
применяются на тепловозах повод-
ковые (бесчелюстные) буксы, кото-
рые связаны с рамой шарнирными
поводками 6 (рис. 11.15,6) и могут
перемещаться не только по вертика-
Рис. 11.15. Схемы соединения букс с рамой
ли, но и несколько поворачиваться
относительно своей оси за счет упру-
гости шарниров. При этом из соеди-
нения буксы с рамой устраняются
трущиеся поверхности и необходи-
мость их смазки.
Условия работы букс и их подшип-
ников на современных тепловозах
весьма сложны. Буксы передают
большие статические нагрузки от
верхнего строения тепловоза (до
100—120 кН на буксу). Эти нагрузки
при движении локомотива возраста-
ют еще на 30—50 % из-за колебаний,
центробежных сил в кривых и ударов
на стыках рельсов.
Условия работы подшипников в
буксе зависят от способа передачи
нагрузки на буксу. При верхнем
центральном («точечном») нагруже-
нии (рис. 11.16, а), когда баланси-
ры подвешивания опираются непо-
средственно на корпус 2 буксы, наг-
рузка между роликами подшипника 1
распределяется очень неравномерно.
Передача нагрузки от балансиров
на корпус сверху в двух точках
при помощи промежуточной арки 3
(рис. 11.16,6) способствует более
равномерному распределению на-
грузки между роликами. Арочное на-
гружение буксы поэтому увеличивает
долговечность ее подшипников. Еще
более равномерное распределение
нагрузки достигается при нижней пе-
редаче нагрузки.
Буксовый узел работает в небла-
гоприятных атмосферных условиях:
его окружает запыленная в сухую
погоду и заснеженная или влажная
(при осадках) среда с большим
диапазоном колебаний температуры
окружающего воздуха.
Условия работы предъявляют вы-
сокие требования к буксовым узлам
тепловозов. Они должны быть надеж-
ными в эксплуатации, экономичны-
ми в изготовлении, текущем об-
служивании и ремонте.
От состояния букс во многом
зависит безопасность движения,
поэтому любая букса должна быть
Рис. 11.16. Схемы верхнего нагружения подшипников букс
301
удобной в обслуживании и ремонте,
допускать возможность легкой смены
и восстановления деталей без боль-
ших затрат.
Букса тепловоза ТЭЗ в течение
длительного периода была наиболее
распространенной на тепловозах
СССР. Эта конструкция применялась
на тепловозах ТЭЗ, ТЭ7, ТЭМ1,
ТГМЗ.
Букса (рис. 11.17) состоит из
литого корпуса <3, в цилиндрическую
расточку которого вставлены
два подшипника 4 и 7 с цилиндри-
ческими роликами. Наружный диа-
метр подшипников 320 мм, внутрен-
ний 160 мм, ширина кольца 108 мм.
Расчетная долговечность подшипни-
ков соответствует пробегу около
4 млн. км. Для размещения подшип-
ников на длине шейки оси между
ними установлены дистанционные
кольца 5 и 6. Подшипники стяну-
ты гайкой 10, навертываемой по
резьбе на концевой части оси. Гай-
ка стопорится шайбой 9. Корпус бук-
сы со стороны колеса защищен
лабиринтным уплотнением 1 в задней
крышке 2, а с наружной стороны
закрыт крышкой 8.
Цилиндрические роликовые под-
шипники, передающие радиальную
(вертикальную и продольную гори-
зонтальную) нагрузку, не воспри-
нимают осевых (поперечных) усилий.
Торцовая шайба 9 наружного под-
шипника, прижатая гайкой 10, не
рассчитана на передачу поперечных
нагрузок, она служит лишь для пре-
дотвращения возможности сполза-
ния буксы с шейки оси.
Боковые усилия в конструкции
воспринимаются осевым упором
скольжения 11, укрепленным в перед-
ней крышке 8. Торцовая поверхность
упора армирована бронзой и смазы-
вается маслом, которое подается
фитилем 12 из масляной ванны
корпуса буксы. При движении в кри-
вом участке пути ось колесной пары
перемещается в корпусе буксы (под-
шипники этому не препятствуют)
до соприкосновения торца шейки с
упором. Через упор боковое направ-
302
235
ляющее усилие, воспринимаемое
гребнем колеса от рельса, переда-
ется на корпус буксы и от него на
раму тележки, что приводит ее к по-
вороту.
В буксах средних осей тележек
упоры жестко укреплены в крышках
букс. На буксах крайних осей упоры
упругие. В этой конструкции в крыш-
ку корпуса буксы установлен корпус
упругого упора, представляющий
собой цилиндрический стакан, в кото-
рый вставлена винтовая пружина с
первоначальной затяжкой 8 кН.
Вопросы надежной смазки под-
шипников и упоров вызывают много
затруднений при проектировании и
эксплуатации букс. Важнейшим пре-
имуществом подшипников качения
является возможность работы на
консистентной смазке, которая поз-
воляет длительное время обходиться
без осмотра подшипников. Однако
наличие торцового упора скольже-
ния требует менее вязкой смазки,
которая может подаваться фитилем.
Поэтому на первых тепловозах
корпус буксы заполнялся жидкой
смазкой — автотракторным маслом.
Это было большим недостатком букс,
так как вследствие утечек через
уплотнения требовалось частое по-
полнение масла и наблюдение за его
наличием. Поэтому позднее был
осуществлен переход на консистент-
ную смазку подшипников. В корпу-
се буксы была предусмотрена пере-
городка (см. рис. 11.17), отделяю-
щая масляную ванну осевого упора
от полости роликовых подшипников
во избежание смешивания смазок.
Передача нагрузки в буксе верхняя
центральная (точечная); балансиры
опираются на полуцилиндрические
сменные стальные опоры, вставлен-
ные в отверстия в корпусе.
Букса тепловозов 2ТЭ10Л и ТЭМ2
(рис. 11.18) разработана на основе
учета недостатков букс тепловоза
ТЭЗ. В ней применена передача
нагрузки на корпус 6 сверху через
арку 10, в которую вставлены опоры
9 балансиров. Благодаря уменьше-
нию напряженности подшипников
при арочном нагружении по сравне-
нию с буксой ТЭЗ оказалось воз-
можным использовать в буксе под-
шипники меньших размеров (наруж-
ный диаметр 290 мм против 320 мм
на ТЭЗ, ширина кольца 80 мм вместо
108 мм). Это позволило значитель-
но уменьшить габариты и вес буксы.
зоз
В основном конструкция буксы
2ТЭ10Л аналогична буксе ТЭЗ. В
переднюю крышку 4 вварена диаф-
рагма 5 с отбуртовкой, разделяю-
щая полость подшипников и полость
упора и препятствующая смешива-
нию смазок. Консистентная смазка
заправляется в полость подшипников
при сборке буксы в количестве 1,5 кг.
Для пополнения смазки служит от-
верстие, закрываемое пробкой 24.
Масляная ванна для фитиля осево-
го упора заполняется дизельным
маслом (80 г) через отверстие,
закрываемое пробкой 23. В отличие
от буксы ТЭЗ фитиль 15 осевого
упора укреплен на пластинчатой
пружине 16 и постоянно прижат к
торцу оси.
Сборка буксы и ее монтаж на ко-
лесной паре осуществляются в сле-
дующей последовательности. К кор-
пусу 6 буксы болтами через планку
12 крепится задняя крышка 11.
В корпус устанавливаются два роли-
коподшипника 22 (без внутренних
колец) и дистанционное кольцо 8
между ними.
На шейку оси последовательно в
горячем состоянии с натягом (в упор
друг к другу) насаживают: лаби-
ринтное кольцо 13 и два внутренних
Рис. 11.19. Схема для определения разбегов
колесной пары
304
кольца подшипников. Расстояние
между ними устанавливается дистан-
ционным кольцом 7, все эти детали
фиксируются на шейке стопорным
кольцом 14. Затем на шейку ставят
ранее собранный корпус буксы с
подшипниками. На нем последова-
тельно укрепляются передняя крыш-
ка 4 с регулировочной прокладкой
3, осевой упор 2 с пружиной 16 и
фитилем 15, корпус 1 с пружиной
упора 17 (предварительная затяжка
до 16 кН). На тепловозах ТЭМ2
применяются буксы с меньшей за-
тяжкой упоров.
Для установки буксы в челюсти
рамы тележки корпус имеет плоские
боковые поверхности, которые слу-
жат для передачи продольных нагру-
зок и усиливаются боковыми на-
личниками 21, и упорные бурты для
передачи поперечных нагрузок, уси-
ливаемые лобовыми наличниками 20.
Наличники изготавливаются из мар-
ганцовистой стали 60Г, привари-
ваются к корпусу электрозаклепка-
ми и прерывистым швом по контуру.
Для уменьшения трения в налич-
никах к ним подается смазка (осе-
вое масло) из двух карманов 19
с помощью фитилей, проходящих
в корпусе буксы. В карманы, закры-
ваемые крышками 18, заправляется
по 450 г масла.
Большое значение для надежной
работы экипажной части имеет пра^
вильная установка и регулирование
разбегов колесных пар относительно
рам тележек, особенно при челюст-
ных буксах. Возможность продольно-
го разбега колесной пары относитель-
но рамы ограничивается суммарной
величиной зазоров В (рис. 11.19)
между боковыми наличниками кор-
пуса буксы и наличниками буксо-
вых челюстей рамы тележки. Эта
величина по чертежам лежит в пре-
делах 0,58—1,78 мм и не должна
превышать 5 мм в эксплуатации
во избежание заметных перекосов
оси в тележке.
Суммарный поперечный разбег оси
П, в значительной степени опре-
деляющий ходовые качества локомо-
тива и его воздействие на путь, скла-
дывается из свободного С и упруго-
го У разбегов, т. е. /7 = С + У. Сво-
бодный разбег колесной пары С пред-
ставляет сумму зазоров А между ло-
бовыми наличниками левой и правой
букс и наличниками рамы тележки
и зазоров Б между торцами осей
и осевыми упорами обеих букс, т. е.
С = А
лев +Л прав + Блев + Б прав*
Для тепловозов 2ТЭ10Л и ТЭЗ
свободный разбег установлен для
крайних колесных пар Скр = 3+ 1 мм,
для средних ССр=28-|-1 мм. Величи-
на свободного поперечного разбега
устанавливается и регулируется за
счет прокладок 3 (см. рис. 11.18)
между передней крышкой 4 и флан-
цем осевого упора 2.
Упругий разбег колесных пар пред-
ставляет сумму допустимых проги-
бов Г (см. рис. 11.19) пружин осе-
вых упоров, т. е. У=Глп + Гправ.
Упругий разбег крайних колесных
пар составляет Г= 11 мм на сторону
или У=22 мм. Этот разбег в процес-
се эксплуатации не регулируется.
Таким образом, величина суммарно-
го разбега для крайних колесных
пар составляет /7=С + У=25-?26
мм. Для средних колесных пар У=
= 0 и П = С = 284-29 мм.
Поводковые (бесчелюстные) бук-
сы. Они применены на тепловозах
320 . , ISO _ 345
Рис. 11.20. Бесчелюстная букса тепловоза 2ТЭ10В (М):
/— кольцо лабиринтное; 2— планка; 3— задняя крышка; 4— корпус; 5, 8— роликовые подшипники;
6, 7— кольца дистанционные; 9— передняя крышка; 10— кронштейн; 11— упорный шариковый под-
шипник; 12, 17— стопорные кольца; 13— упор; 14— амортизатор; 15— пружина; 16— болт; 18— проб-
ка; 19— иитка; 20— поводок
305
2ТЭ10В, 2ТЭП6, ТЭП60 и др. Такие
буксы полностью исключают трение
скольжения в узле. Корпус 4 повод-
ковой буксы тепловоза (рис. 11.20)
имеет своеобразную форму: у него
нет боковых направляющих плоскос-
тей. Корпус имеет две пары клино-
видных вырезов для соединения с
валиками резинометаллических вту-
лок поводков 20. Поводки также
при помощи таких втулок присоеди-
няются к раме тележки. Такая под-
веска буксы дает ей возможность
упругого перемещения относитель-
но рамы в вертикальном и попереч-
ном направлениях. Корпус имеет два
опорных кронштейна для пружин
рессорного подвешивания. Сам кор-
пус в этом случае играет роль
балансира. К передней крышке 9
корпуса приварен кронштейн 10 для
крепления фрикционного амортиза-
тора.
В бесчелюстной буксе отсутствует
упор скольжения: он заменен упор-
ным шарикоподшипником 11, уста-
новленным между торцом оси и упо-
ром 13 амортизатора 14. В связи с
этим отпала необходимость двух ви-
дов смазки. Букса заполняется кон-
систентной смазкой и не требует ее
замены до текущего ремонта ТРЗ.
11.5. ТЕЛЕЖКИ
Назначение и общее устройство.
Тележки тепловозов являются их
ходовыми частями. Они передают
вертикальные нагрузки от веса кузо-
ва и рамы тепловоза с установлен-
ным на ней силовым и вспомогатель-
ным оборудованием на рельсы, соз-
дают во взаимодействии с рельсами
тяговые и тормозные силы, направ-
ляют движение тепловоза в рельсо-
вой колее, передавая на раму тепло-
воза поперечные усилия от рельсо-
вого пути.
Тележка — крупный узел теплово-
за. Она объединяет в одно целое,
в единый комплекс колесные пары,
буксы, тяговые электродвигатели
и их тяговые редукторы. Все эти
306
рассмотренные ранее узлы тепловоза,
а также рессорное подвешивание
являются ее частями. Объединены
они в одно целое рамой тележки.
Рама тележки не только связывает
вместе отдельные узлы ходовых час-
тей, но и связывает их с рамой
тепловоза, обеспечивая в то же
время возможность поворота тележ-
ки относительно рамы тепловоза.
Конструкция тележки и в особеннос-
ти ее рамы зависит от способа пе-
редачи нагрузок и исполнения опор-
ных устройств.
Так как силовая установка нахо-
дится в кузове на главной раме, а
ведущие колесные пары размеще-
ны в тележках, необходимость их по-
ворота значительно затрудняет как
передачу вертикальных нагрузок, так
и передачу энергии от дизеля к колес-
ным парам.
Схемы передачи нагрузок от рамы
тепловоза на тележки. Связь кузова
(или рамы) тепловоза с рамой те-
лежки должна обеспечивать переда-
чу сил по всем осям координат
(рис. 11.21): вертикальных сил по
оси z, горизонтальных продольных
сил по оси х, горизонтальных по-
перечных сил по оси у при одновре-
менной возможности относительного
поворота (вокруг оси z) и передачи
энергии. Вес всего оборудования
тепловоза, размещенного в кузове,
включая и главную раму, должен
быть равномерно распределен между
обеими тележками, иначе нагрузки от
отдельных осей на рельсы могут быть
неодинаковыми. Кроме того, связи
кузова с тележками должны ограни-
чивать возможности поворота (коле-
баний) кузова относительно осей х
и у. В систему этих связей должны
входить так называемые возвращаю-
щие устройства, способствующие
возвращению тележек (после пово-
рота в кривых) в положение, при ко-
тором продольные оси рам тепловоза
и тележек совпадают, а также пре-
пятствующие самопроизвольным ви-
ляниям тележки.
Наиболее распространены следую-
щие основные схемы опирания рамы
(и всего надтележечного строения
тепловоза) на тележки.
1. Рама опирается на каждую те-
лежку одной опорой — цилиндричес-
кой пятой /, входящей в подпятник
2 тележки (рис. 11.22, а). Пята с
подпятником образуют шкворневое
соединение, являющееся осью пово-
рота тележки относительно рамы в
горизонтальной плоскости. И верти-
кальная нагрузка, и горизонтальные
силы передаются через этот узел,
работающий поэтому в весьма напря-
женных условиях.
Для предотвращения недопусти-
мых перекосов кузова и, следователь-
но, неравномерного распределения
нагрузок в шкворневом узле в этой
схеме на каждой тележке устанавли-
ваются дополнительные боковые
ограничители — скользуны 3, допус-
кающие лишь незначительные от-
клонения кузова от вертикально-
го положения (1 —1,5 мм — тако-
ва величина зазора в скользунах).
Это меньше радиального зазора
между шкворнем и подпятником.
Такая схема передачи нагрузок
применялась в первых серийных пос-
левоенных тепловозах (ТЭ1 и ТЭ2).
В шкворневом соединении велики
силы трения (по торцу и цилиндри-
ческой поверхности), препятствую-
щие повороту. Поэтому эти поверх-
ности сильно изнашиваются. С увели-
чением мощности тепловозов и их
тяговых усилий нагрузки на шквор-
невой узел и его износ оказались
чрезмерно большими. В последую-
щих схемах принимались меры по его
разгрузке от вертикальных сил,
2. Рама центрируется с тележкой
при помощи шкворневого соедине-
ния, но опирается на нее не через
шкворень, а через боковые опоры 4,
расположенные симметрично относи-
тельно шкворня (рис. 11.22,6).
Шкворневой узел, являющийся осью
поворота тележки, в этом случае
полностью разгружен от вертикаль-
ных нагрузок и передает только го-
ризонтальные силы. Рабочей в нем
является лишь цилиндрическая по-
верхность. Вертикальные нагрузки
Рис. 11.21. Возможные относительные
перемещения кузова и тележки
полностью воспринимаются опорами,
которые обычно выполняются роли-
ковыми (с трением качения). Нали-
чие четырех боковых опор на тележ-
ке существенно улучшает устойчи-
вость кузова на тележке в про-
дольной и поперечной вертикаль-
ных плоскостях.
По такой схеме выполнена экипаж-
ная часть основных серий грузо-
вых тепловозов (ТЭЗ, 2ТЭ10Л). На
маневровых тепловозах (ТЭМ1 и
ТЭМ2) применена такая же схема,
но боковые опоры выполнены по
типу скользунов (с трением сколь-
жения). На тепловозах 2ТЭ10В и
2ТЭ116 для улучшения динами-
ческих качеств допускается неболь-
шое (±40 мм) поперечное смеще-
ние шкворня относительно тележки.
3. Вертикальная нагрузка от рамы
тепловоза передается на каждую
тележку через две—четыре боковые
опоры при фактическом отсутствии
шкворневого узла. Ввиду того что
необходимый угол поворота рамы
тележки относительно рамы теплово-
за невелик (не более 5—7°), оказы-
вается возможным обеспечить цент-
рирование тележки при помощи так
называемого фиктивного шкворня,
роль которого выполняет система
коротких горизонтальных поводков,
передающая продольные горизон-
тальные силы (рис. 11.22, в). Шар-
ниры поводков 5 соединены с рамой
тележки, а 6 — с рамой тепловоза.
Такая схема оказывается необхо-
димой в особенности для трехосных
тележек тепловоза с гидропередачей,
307
Рис. 11.22. Схемы связей рамы тепловоза с тележками
где необходимость механического
привода средней оси затрудняет раз-
мещение шкворневого узла, как,
например, на опытном тепловозе
ТГ106.
4. Рама тепловоза опирается на
раму тележки через несколько (четы-
ре, как на тепловозе ТГ102, или
шесть) боковых упругих опор при
отсутствии шкворня. Возможность
поворота тележки обеспечивается
упругостью резинометаллических
опорных элементов и небольшим
(до 20 мм в одну сторону) попереч-
ным смещением опорных коробок по
бронзовым направляющим на раме
тележки. Горизонтальные силы пере-
даются также через опорные элемен-
ты, которые имеют вид конических
втулок.
5. Рама тепловоза опирается на
раму тележки через две главные
вертикальные маятниковые опоры
8 — качающиеся стойки, располо-
женные на ее продольной оси (рис.
11.22, г). Каждая опора соединена
с рамой кузова и рамой тележки
через конические резинометалличес-
кие втулки. Эти опоры передают
и продольные горизонтальные силы,
и половину вертикальной нагрузки.
Вертикальные нагрузки (вторая
половина веса надтележечного строе-
ния) воспринимаются также четырь-
мя боковыми вертикальными стойка-
ми 7. Наличие боковых опор обес-
печивает поперечную устойчивость
кузова.
Такая схема передачи нагрузок
применена на пассажирских тепло-
возах ТЭП60, а также на некоторых
электровозах. Она характерна пол-
ным отсутствием трения скольжения
в главных опорах. Возможность по-
ворота тележек обеспечивается от-
клонением главных опор от верти-
кальной оси (рис. 11.22, д). Горизон-
тальные упругие тяги 9 способству-
ют передаче поперечных сил и воз-
вращению тележки в исходное поло-
жение.
Маятниковое подвешивание уве-
личивает устойчивость надтележеч-
ного строения тепловоза за счет
снижения высоты точки передачи ве-
са на раму тележки, способствует
уменьшению воздействия на путь и
поэтому нашло распространение в
308
различных вариантах в целом ряде
конструкций современных локомоти-
вов.
6. Рама тепловоза при наличии
шкворня, являющегося осью поворо-
та и передающего горизонтальные
силы, своими кронштейнами 10 (рис.
11.22, е) подвешивается к раме каж-
дой тележки на четырех боковых
маятниковых подвесках 11. Такая
схема применена на маневровых теп-
ловозах ЧМЭЗ. Оси наклонных под-
весок пересекаются на оси шкворня.
Осуществлены схемы с двумя бо-
ковыми маятниковыми подвесками
при наличии центрального шкворня
для передачи горизонтальных сил
(тепловозы французских фирм).
В некоторых конструкциях продоль-
ные горизонтальные силы передают-
ся системой длинных наклонных тяг
12, соединяющих раму с тележкой
так, что точка пересечения их осей
находится на уровне ниже центров
ведущих осей (рис. 11.22, ж). Такое
соединение способствует лучшему ис-
пользованию сцепного веса локомо-
тива.
7. Если боковые упругие опоры
выполнить в виде комплекта высо-
ких пружин, закрепленных соответ-
ственно своими концами в рамах
тепловоза и тележки, то при смеще-
нии тележки возвращающая сила бу-
дет возникать вследствие сопротив-
ления пружин поперечному сдвигу.
Такая схема в настоящее время по-
лучила распространение в тепловозо-
строении и применена на тепловозах
ТЭП70. Горизонтальные силы в этом
случае передаются низко опущенным
шкворнем.
Типы тележек. Тележки теплово-
зов конструктивно различаются в за-
висимости от типа передачи, числа
осей, способа передачи вращающего
момента от двигателя на колесные
пары. Кроме того, конструкция те-
лежки и ее рамы зависит от спо-
соба передачи нагрузки от кузова.
Тележки могут быть двух-, трех- и
четырехосными.
Тележка состоит из рамы тележки
с опорно-возвращающими устройст-
вами, колесных пар с буксами,
приводных устройств для передачи
вращающего момента от двигателя,
рессорного подвешивания. На тележ-
ке размещается также оборудование
тормозной и песочной систем.
На современных серийных отечест-
венных тепловозах применяются те-
лежки трех основных типов: трехос-
ная челюстная тележка тепловозов
с электрической передачей и опорно-
осевым подвешиванием тяговых
электродвигателей (тепловозы ТЭЗ,
ТЭ7, 2ТЭ10Л, М62, ТЭМ1, ТЭМ2
и др.) ; то же бесчелюстная (теплово-
зы 2ТЭ10В, ЗТЭ10М, 2ТЭ116); трех-
осная бесчелюстная тележка тепло-
возов с электрической передачей и
опорно-рамным подвешиванием тяго-
вых электродвигателей (тепловозы
ТЭП70, 2ТЭ121 и ТЭП60).
Тележки с опорно-осевым подве-
шиванием тяговых электродвигате-
лей. Трехосная челюстная тележка
такого типа (рис. 11.23) с неболь-
шими конструктивными различиями
применяется на многих грузовых и
маневровых тепловозах с электри-
ческой передачей. Три колесные пары
10 своими буксами 6 и 11 уста-
новлены в челюсти рамы 1 тележки.
Челюсти снизу стянуты струнками
9. Все колесные пары имеют попе-
речный разбег относительно рамы
тележки.
Вертикальная нагрузка от рамы
тепловоза передается на тележку
через четыре опоры <?, размещенные
по окружности диаметром 2730 мм
вокруг шкворня. Шкворень рамы,
входящий в гнездо подпятника
шкворневой балки, передает только
горизонтальные силы (тяговые, тор-
мозные, инерционные).
Опоры 3, помимо передачи вер-
тикальной нагрузки на тележку, ис-
пользуются для ограничения колеба-
ний кузова и тележки в горизонталь-
ной плоскости. Поэтому опора вклю-
чает в себя и возвращающее устрой-
ство роликового типа.
Бесчелюстная тележка (рис. 11.24),
помимо конструкции буксового узла,
отличается односторонним располо-
309
3
3002
2130
Рис. 11.23. Трехосная челюстная тележка (тепловоза 2ТЭ10Л):
1—рама; 2—тормозной цилиндр; 3—опора;-#—балансир; 5—листовая рессора; 6—букса средней оси; 7—пружина; 8-подвеска рессоры; 9—струнка; 10—
колесная пара; //—букса крайней оси (с упругим упором); 12—песочная труба; 13—тяговый электродвигатель
5719
Рис. 11.24. Трехосная бесчелюстная тележка (тепловоза 2ТЭ10В):
/—рама; 2— кожух тягового редуктора; 3—тяговый электродвигатель; 4—песочная труба; 5—букса
крайней оси; 6—гаситель колебаний; 7—опора; 8—колесная пара; 9—шкворневая балка; 10—пру-
жина; 11—букса средней оси; 12—поводок буксы; 13—тормозной цилиндр; 14—кронштейн подвески
тягового электродвигателя; 15— подпятник шкворня
жением тяговых электродвигателей
3: все они размещены по одну сторо-
ну от своих колесных пар 8 («гусь-
ком») — к центру секции. Такое рас-
положение двигателей уменьшает
разгрузку отдельных осей и улучша-
ет использование сцепного веса теп-
ловоза. Подпятник шкворня 15 имеет
возможность поперечного смещения
относительно шкворневой балки 9.
Буксы 5 и И связаны с рамой те-
лежки поводками 12, которые переда-
ют горизонтальные силы. Вертикаль-
ная нагрузка передается на каждую
буксу через два комплекта пру-
жин 10.
Рамы тележек. Конструкция рамы
тележки зависит от назначения те-
лежки, числа осей, устройства опор
кузова и способа передачи крутя-
щего момента от тягового электро-
двигателя или редуктора гидравли-
ческой передачи. Основными элемен-
тами рамы являются ее боковые
балки (боковины), с которыми соеди-
няются буксы.
В зависимости от числа осей те-
лежки и способа передачи на нее
вертикальной нагрузки боковины ра-
мы могут соединяться по-разному.
На двухосных тележках боковины 1
соединяются тремя поперечными бал-
ками (рис. 11.25, а), средняя из ко-
торых (2) является более мощной.
В случае центрального приложения
вертикальной нагрузки через шкво-
рень она называется шкворневой и
передает все силы между тележкой
и рамой тепловоза, причем основной
нагрузкой на нее является изгибаю-
311
Рис. 11.25. Схемы рам тележек
щий момент от вертикальных сил.
Концевые балки 3 служат для обес-
печения жесткости конструкции рамы
и закрепления на ней других узлов
тележки.
На трехосной тележке с передачей
сил через две центральные опоры
(рис. 11.25, в), как на тепловозах
ТЭ60 и ТЭП70, шкворевых балок
две (4).
В случае если вертикальная наг-
рузка передается через боковые
опоры непосредственно на боковины,
как на тепловозах ТЭЗ и 2ТЭ10Л (В),
средние поперечные балки 4 (рис.
11.25,6) не воспринимают изгибаю-
щих моментов от вертикальных наг-
рузок и выполняются более легкими.
Однако для размещения подпятника
шкворня и передачи продольных сил
здесь необходима продольная шквор-
невая балка 2, опирающаяся на
балки 4.
С конструктивно-технологической
точки зрения рамы тележек разли-
чаются по исполнению боковин.
Они могут быть брусковыми, литы-
ми или коробчатыми (сварными).
Брусковые рамы с боковинами, вы-
резанными из толстого стального
листа, применялись на тепловозах
ТЭ2. Рамы с боковинами из
стального литья, имеющие большой
вес, применяются на некоторых элек-
тровозах (ВЛ8), а также на теплово-
зах США, где на железных дорогах
допускаются значительно большие,
чем у нас, нагрузки от осей на рельсы
(до 300—350 кН).
Боковины рам тележек большин-
ства отечественных тепловозов име-
ют коробчатое сечение, образован-
ное сваркой из стальных листов или
312
Рис. 11.27. Опорно-возвращающее устройство
штампованных профилей. В кон-
струкции рамы такие боковины соче-
таются с литыми элементами. Приме-
ром комбинированной рамы может
служить рама трехосной тележки
тепловозов ТЭЗ и 2ТЭ10Л (рис.
11.26). Рама состоит из двух боко-
вин 8, двух междурамных попереч-
ных балок /, двух концевых балок 3
и продольной шкворневой балки 2.
Боковины рамы и поперечные балки
1 выполнены из листовой стали и
имеют коробчатое сечение. Соедине-
ния боковин и поперечных балок
усилены накладкой верхнего листа
4 и в местах соединения
балок развиты для возможности ус-
тановки боковых опор. Посредине
шкворневой балки расположено ци-
линдрическое гнездо (пята) 12 для
шкворня рамы тепловоза. Шкворень
на дно гнезда шкворневой балки не
опирается и передает только гори-
зонтальные (продольные и попереч-
ные) усилия. В гнездо вставлена
сменная цилиндрическая втулка, за-
меняемая при износе.
Вес верхнего строения тепловоза
передается на тележку через четыре
опоры, расположенные по окруж-
ности. Такая передача нагрузки ос-
вобождает шкворневую и поперечные
балки рамы тележки от изгибающих
усилий и обеспечивает устойчивое
положение тележки под тепловозом.
Опоры тележки являются одновре-
менно и устройствами, возвращаю-
щими тележку в прямое положение
при выходе тепловоза с криволиней-
ных участков пути на прямой. К
боковинам рамы приварены литые
буксовые челюсти 6 с наличниками
7 из стали 60Г. К поперечным балкам
1 приварены и дополнительно при-
креплены болтами кронштейны 9
и 11, один из которых (11) имеет
опоры под тяговые электродвигатели
с двух сторон, а другой (9) —
с одной стороны. По бокам рама
тележки имеет выступающие опоры
10 для пружин рессорного подве-
шивания.
Снизу буксовые челюсти стянуты
подбуксовыми струнками 5. Струн-
ка по концам имеет охватывающие
выступы, которые пригнаны к челюс-
ти по краске. Между стрункой и
челюстью имеется зазор для натяга
струнки. В зазор вставляют проклад-
ку, которая зажимается между че-
люстью и стрункой болтами. Голов-
ки болтов приваривают к челюсти
для предотвращения проворачива-
ния болтов при завертывании гаек.
Опорно-возвращающее устройст-
во. Устройство (рис. 11.27) служит
для передачи вертикальной нагрузки
на тележку, удержания тележки во
время движения в положении, при
котором ее продольная ось совпада-
ет с продольной осью тепловоза, и
для возвращения тележки в это по-
ложение при ее отклонении. Опорно-
возвращающее устройство предста-
вляет собой стальную коробку 4,
в которой помещены нижняя 6 и
313
верхняя 2 опорные плиты и гнездо 1,
на которое опирается сферическая
(грибовидная) опора рамы теплово-
за. Между верхней и нижней опор-
ными плитами находятся два роли-
ка 5, соединенных обоймами 7.
Внутренняя полость опорно-воз-
вращающего устройства заполняет-
ся осевой смазкой. Для предохране-
ния от пыли корпус сверху закрыт
крышкой 3, а вся опора — брезен-
товым чехлом. Рабочие поверхности
верхней 2 и нижней 6 опорных плит
не горизонтальные, а наклонены в
обе стороны от среднего положения
ролика на небольшой угол (2°). При
входе тепловоза в кривую опорные
плиты смещаются относительно друг
друга и ролики накатываются на
наклонные поверхности плит, при
этом возникает горизонтальная сила,
которая стремится вернуть опоры в
первоначальное положение. Момент,
создаваемый этими силами всех
опор, на плече, равном их расстоянию
(радиусу) от центра поворота тележ-
ки, носит название возвращающего.
Кроме перекатывания роликов по
наклонным плоскостям, при поворо-
тах тележки имеет место еще сколь-
жение гнезда 1 по опоре рамы
тепловоза и поворот гнезда относи-
тельно этой опоры. Таким образом,
отклонению тележки препятствует не
только возвращающий момент, но и
момент трения между поверхностями
указанных деталей. Чтобы обеспе-
чить возвращение тележки в перво-
начальное положение, возвращаю-
щий момент должен быть больше
момента сил трения. Соотношение
этих моментов зависит от угла у (см.
рис. 11.22,6) смещения поперечной
оси опоры относительно радиуса,
соединяющего центр шкворня тележ-
ки с центром хвостовика опорно-
возвращающего устройства. Угол
установки опор у в тележках грузо-
вых и маневровых тепловозов
(2ТЭ10Л, ТЭЗ, ТЭМ2 и др.) принят
равным 5°.
Недостатком рассмотренной кон-
струкции является постоянство воз-
вращающей силы (так как угол нак-
314
лона опорных плит неизменен, то ве-
личина горизонтальной составляю-
щей силы тяжести не зависит от
угла поворота). Поэтому на бесче-
люстных тележках тепловозов 2ТЭ10В
и 2ТЭ116 рабочие поверхности опор-
ных плит выполнены не наклонными,
а цилиндрическими — по дуге боль-
шого радиуса. В результате угол
наклона касательной становится пе-
ременным и возвращающая сила уве-
личивается с увеличением угла пово-
рота. Для увеличения роли трения
при относительном скольжении роли-
ки опор этих тепловозов размещены
не по радиусу, а параллельно оси
тележки. Все это, вместе взятое
(а также возможность поперечного
смещения подпятника шкворня),
обеспечило снижение динамических
усилий при движении тепловоза в
кривых.
11.6. РЕССОРНОЕ
ПОДВЕШИВАНИЕ
Колебания тепловоза при движе-
нии. Причинами колебаний тепловоза
при движении по железнодорожному
пути являются периодически повто-
ряющиеся воздействия от неровнос-
тей пути, рельсовых стыков, изме-
нения жесткости пути на различных
его участках, неравномерного износа
бандажей, наличия зазоров в буксо-
вых узлах, искажений геометричес-
кой формы круга катания колес. Ко-
лебаниям подвержен как тепловоз
в целом, так и его надрессорное
строение (кузов, рама, рамы теле-
жек) в отдельности.
В зависимости от характера пере-
мещений различают следующие ос-
новные виды колебаний тепловоза
в целом:
виляние — колебательные пере-
мещения продольной оси тепловоза
относительно оси пути в горизонталь-
ной плоскости, связанные с попереч-
ными перемещениями тележек в раз-
ных направлениях. Эти колебания
являются причиной извилистого
движения локомотива в рельсовой
колее;
относ — поперечные перемещения
локомотива в рельсовой колее при
сохранении параллельности осей ло-
комотива и пути (обе тележки пере-
мещаются в одном направлении).
Колебания тепловоза в целом, как
правило, носят несистематический
характер, им^ют невысокую частоту
и зависят в значительной мере от
состояния рельсовой колеи.
Колебания верхнего (надрессорно-
го) строения тепловоза более часты
и разнообразны. Упругие элементы в
конструкции ходовых частей (рессо-
ры) поглощают часть энергии, пере-
даваемой при ударах со стороны пу-
ти. Поглощенная энергия преобразу-
ется в колебания надрессорного
строения. Основные виды колебаний
надрессорного строения локомотивов
следующие:
подпрыгивание (рис. 11.28, а) —
вертикальные перемещения надрес-
сорного строения. Плоскость рамы
тепловоза при подпрыгивании оста-
ется параллельной плоскости пути;
продольная качка (рис. 11.28,6) —
колебания локомотива в продоль-
ной вертикальной плоскости относи-
тельно горизонтальной поперечной
оси;
поперечная (или боковая) качка
(рис. 11.28, в) — колебания локомо-
тива в вертикальной поперечной
плоскости относительно горизонталь-
ной продольной оси.
Колебания тепловозов увеличива-
ют динамические нагрузки и сущест-
венно влияют как на прочность их
конструкций, так и на устройчи-
вость движения.
Смягчению динамических нагру-
зок, снижению частоты и гашению
колебаний способствует применение
в схемах передачи нагрузки на
колесные пары упругих элементов,
которые включаются между рамами
тележек и буксами, а иногда, как
об этом говорилось выше, и между
кузовом и тележками. Совокупность
упругих элементов, связанных с пере-
дачей вертикальных нагрузок в кон-
струкции локомотивов, называется
упругим, или рессорным, подвешива-
нием.
Назначение рессорного подвеши-
вания. Вес рамы и верхнего строе-
ния тепловоза передается через упру-
гие элементы — рессоры — на буксы
колесных пар. Рессоры отдельных ко-
лесных пар в тележке составляют
общую систему — рессорное подве-
шивание, в состав которого могут
входить другие (жесткие) дета-
ли. Так, рессоры могут быть соеди-
нены между собой балансирами и
подвесками для того, чтобы выравни-
вать и перераспределять нагрузки на
отдельные колесные пары в случае
перегрузки их во время движения.
Таким образом, назначение рес-
сорного подвешивания состоит в том,
чтобы передавать вес тепловоза на
шейки колесных пар, равномерно
распределять этот вес между осями
всех колесных пар и смягчать удар-
ные нагрузки, действующие на коле-
са со стороны пути.
Вес всех частей тепловоза, распо-
ложенных над рессорами (т. е. вес
надрессорного строения), называет-
ся подрессоренным весом в отличие
от неподрессоренного (в основном
веса колесных пар с буксами), ко-
торый передается на рельсы без
амортизации. Особенно важна роль
рессорного подвешивания в смягче-
нии ударов, возникающих при про-
Рис. 11.28. Колебания надрессорного строения тепловоза
315
хождении стыков рельсов и из-за де-
фектов поверхности катания (выбои-
ны, эксцентричность) и пути (нерав-
номерный прогиб рельсов из-за пло-
хой подбивки шпал и др.).
При движении тепловоза упругий
прогиб рельсов вызывает появление
вертикальных ускорений колесных
пар, в 2,5—3 раза превышающих
ускорение силы тяжести g, равное
9,81 м/с2. На стыках рельсов при
высоких скоростях движения (осо-
бенно зимой, при более жестком пу-
ти) эти ускорения могут достигать
(8—10)g и более. Поэтому если бы
вес тепловоза передавался на шейки
осей без рессор, то напряжения
как в осях, так и в рельсах были бы
чрезвычайно большими.
Типы упругих элементов. В ка-
честве устройств, обладающих упру-
гими свойствами, в конструкции
упругого подвешивания можно при-
менять листовые рессоры, винтовые
пружины, пневматические и резино-
вые элементы.
Применение листовых рессор,
представляющих собой набор сталь-
ных полос (листов), способствует
гашению колебаний. Трение между
листами в листовых рессорах погло-
щает энергию колебаний и приводит
к их затуханию. Однако листовые
рессоры из-за наличия этого трения
практически нечувствительны к ма-
лым (по величине или амплитуде
колебаний) возмущениям. Если эти
нагрузки не превышают по величи-
не силы внутреннего трения, то рес-
соры передают их жестко.
Пружины деформируются прямо
пропорционально нагрузке и не име-
ют внутреннего трения. Вследствие
этого колебания в пружинном подве-
шивании гасятся очень медленно.
Поэтому в конструкциях упругого
подвешивания одновременно с пру-
жинами применяют дополнительные
упругие элементы, ускоряющие зату-
хание колебаний. Такими элемента-
ми могут быть резиновые или резино-
металлические амортизаторы. Одна-
ко их поглощающая (демпфирую-
щая) способность недостаточна.
316
Поэтому в бесчелюстных тележках
с пружинным подвешиванием при-
меняют специальные фрикционные
(или другого типа) гасители коле-
баний. В опытном порядке на ряде
локомотивов используются пневма-
тические рессоры, которые обладают
малым весом и хорошими упругими
свойствами. Их недостаток — боль-
шие габариты.
Типы рессорного подвешивания.
Рессоры отдельных букс в тележке
могут быть не связаны в общую
систему. Подвешивание из незави-
симых друг от друга рессор назы-
вается несопряженным, или индиви-
дуальным. Такое подвешивание име-
ют бесчелюстные тележки теплово-
зов 2ТЭ10В и 2ТЭ116.
В ряде случаев рессоры в тележке
соединяют между собой балансирами
и подвесками. Такое подвешивание
называется сопряженным, или сба-
лансированным.
В сопряженном подвешивании
сохраняется заданное соотношением
плеч балансиров распределение как
статических, так и динамических
нагрузок по колесным парам. По-
ложение равнодействующей этих
нагрузок при этом не меняется. В
связи с этим все нагрузки в такой
группе рессор можно заменить рав-
нодействующей, приложенной в
одной точке. Поэтому группу сопря-
женных рессор называют точкой под-
вешивания.
На серийных тепловозах с челюст-
ными тележками (ТЭЗ, 2ТЭ10Л,
ТЭМ2), а также на ТЭП60, 2ТЭ121
применено четырехточечное подве-
шивание (все рессоры одной сторо-
ны каждой тележки сопряжены ба-
лансирами и представляют одну точ-
ку подвешивания).
Если нагрузка от рамы тележки
на буксы передается последователь-
но через один рессорный элемент
(например, как на схемах, показан-
ных на рис. 11.29, а или на рис. 11.15),
подвешивание называют одинарным;
если нагрузка передается последо-
вательно через два элемента — двой-
ным (рис. 11.29,6). Двойное подве-
Рис. 11.29. Типы рессорного подвешивания:
а — одинарное; б — двойное; в — двухступенчатое
шивание применено на тепловозе
2ТЭ121.
Различают также одноступенчатое
или двухступенчатое подвешивание.
Одноступенчатой называется систе-
ма, в которой все упругие элемен-
ты, как у большинства грузовых и
маневровых тепловозов, размещены
между рамой тележки и буксами.
Двухступенчатым (или двухъярус-
ным) подвешиванием (рис. 11.29, в)
называется система, в которой, поми-
мо первой (буксовой) ступени подве-
шивания, имеется вторая ступень
(центральная), упругие элементы ко-
торой размещаются между рамой
тепловоза и рамой тележки, т. е.
входят в состав опорных устройств
кузова. Двухступенчатое подвешива-
ние применено на тепловозах ТЭП60,
2ТЭ121, ТЭП70 и ТЭМ7.
Характеристики упругих элемен-
тов. Главными параметрами упругих
элементов в отдельности и рессор-
ного подвешивания в целом являют-
ся прогиб и жесткость.
Прогибом f рессоры (или пру-
жины) называется величина ее де-
формации (по высоте) под действием
приложенной нагрузки. Прогиб рес-
сорного элемента (или подвешивания
в целом) под действием веса распо-
ложенных над ним узлов локомотива
в неподвижном (статическом) сос-
тоянии называется статическим —
1ет В настоящее время считается,
что рессорное подвешивание грузо-
вых тепловозов должно иметь стати-
ческий прогиб порядка 100—120 мм,
пассажирских— 160—180 мм, т. е.
численно должно примерно соответ-
ствовать конструкционной скорости
тепловоза в км/ч. Прогиб рессор-
ных элементов в рабочем диапазоне
нагрузок прямо пропорционален ве-
личине вертикальной нагрузки Р.
Упругость рессорных элементов
характеризуется их жесткостью ж,
которая представляет отношение вер-
тикальной нагрузки к прогибу:
ж = РД. Иными словами, жесткость
представляет собой нагрузку, необхо-
димую для прогиба рессоры на едини-
цу высоты (обычно на 1 мм). Жест-
кость поэтому измеряется в кН/мм.
Иногда для характеристики подве-
шивания используется понятие гиб-
кости рессоры <?, которая является
величиной, обратной жесткости, и
представляет собой величину проги-
ба на единицу нагрузки: e = f/P.
Жесткость системы упругих эле-
ментов зависит от жесткости входя-
щих в нее элементов и характера
распределения нагрузки между ними.
Предположим, что нагрузка Р пе-
редается через параллельно рабо-
тающие упругие элементы (рис.
11.30, а), имеющие различные жест-
кости: жь Ж2 и Жз. Каждая из пру-
жин будет воспринимать соответ-
ственно нагрузку Р\, Р? и Р3:
Р\—Ж^\\ Р2 = Ж2{2; Рз = Ж3(з-
Если рассматривать систему в
целом, то для нее Р = ж$, где ж и f
соответственно являются жесткостью
и прогибом системы упругих эле-
ментов.
Так как очевидно, что р=Рх-\-
+ Р2 + Р3, ТО
ж(= Ж\(\ + Ж if 2 + Жз1з-
Если при параллельной работе
пружин обеспечивается одинаковая
величина их деформаций (f1=f2 =
= /з = /), ТО
ж = ж\ Н-Жг + ж.з. (11-1)
317
Рис. 11.30. Системы упругих элементов
Таким образом, жесткость систе-
мы параллельно нагруженных упру-
гих элементов равна сумме жесткос-
тей этих элементов.
Рассмотрим аналогичную систему
последовательно работающих упру-
гих элементов (рис. 11.30, б). Проги-
бы пружин соответственно равны
^\ = Р\/Ж\’, }2 = Р2/Ж2 и /:! = Рз/жз-
Очевидно, что прогиб системы равен
сумме прогибов ее элементов (/ =
= Л -Ь ^2 Ч-/"з) • Тогда
Р Р| . Р2 .
----- .
Ж'Ч*/'----------1 AZ/'-1-Л//'
jtt, । Л1/2 “^з
Ясно, что нагрузки, действующие
на отдельные пружины, равны меж-
ду собой и равны нагрузке Р, при-
ложенной к системе (Р1 = Р2==Рз =
— Р). Следовательно,
1 /ж = 1 /ж\ + 1 /жъ + 1 /ж3 или (11.2)
г=г> Н-гг + гз. (11-3)
Таким образом, при последова-
тельном нагружении упругих элемен-
тов гибкость системы равна сумме
гибкостей этих элементов.
Жесткость рессорного подвешивания.
В систему рессорного подвешивания, как,
например, на рис. 11.31, могут входить и
параллельно, и последовательно нагруженные
упругие элементы. Для определения общей
жесткости всей системы в этих случаях
необходимо сначала заменить все группы
последовательно работающих элементов ус-
ловными (эквивалентными) рессорами
и определить их эквивалентные жесткости по
318
формуле (11.2). Затем, когда останется сис-
тема параллельно работающих элементов,
определить их суммарную жесткость [по
формуле (11.1)], которая и будет жесткостью
всей системы.
Однако можно подойти к решению этой
задачи проще, исходя их условия равенства
работ: работа деформации системы упругих
элементов равна сумме работ деформации
ее элементов:
£L— У £1L
2 ~ 2 ’
1
Если в равенстве заменить прогибы через
отношения, нагрузок к жесткостям (f =—;
fi= — \ то получим
ЛЪ
I
Разделив обе стороны уравнения на Р~
и введя обозначения \i=Pi/P, получим
Отсюда
(11.4)
(Н-5)
1
1
Таким образом, для определения жесткос-
ти системы необходимо знать доли общей
нагрузки Д,, воспринимаемые отдельными
элементами, и их жесткости ж,.
Легко проверить, что формула (Ц.5) да-
ет те же результаты, что можно получить,
пользуясь формулами (11.1) и (11.2). Так,
если рессоры работают последовательно,
А,= 1 и из формулы (11.4) получается фор-
мула (11.2).
Рессорное подвешивание челюст-
ных тележек тепловозов 2ТЭ10Л,
ТЭЗ и т. д. (см. рис. 11.31) включа-
ет в себя два средних и два концевых
рессорных комплекта, а также балан-
сиры 11 и подвески 12, связываю-
щие эти комплекты в единую систе-
му.
Средний комплект состоит из вось-
милистовой рессоры 9 и двух цилин-
дрических пружин 4. Пружины и рес-
сора связаны в единый узел при по-
мощи валика 2, проходящего через
отверстия в проушинах опоры 3 и
хомута 8. Чтобы предохранить про-
ушины от износа, в их отверстия
запрессованы стальные втулки /.
Рама тележки 10 опирается на
средний комплект через тарелки 7
и резиновые амортизаторы (шай-
бы) 5. Шайбы и пружины фикси-
руются в комплекте штифтами 6
тарелок 7.
Концевой комплект состоит из ци-
линдрической пружины 4, подвески
13, валика 14, резиновой шайбы 5,
тарелки 7 и подкладки 17, зафик-
сированных гайкой 16 и штифтом
15. Пружина та же, что и для средне-
го комплекта (из прутковой стали
60С2 диаметром 40 мм).
Нагрузки в этой системе распределяются
следующим образом (рис. 11.32): на средние
комплекты приходится по одной трети верти-
кальной нагрузки на точку подвешивания,
на концевые — по одной шестой.
Таким образом, Аср= 1/3; Ак=1/6.
Определим жесткость системы (точки)
жтп, обозначив жесткость ее элементов лис-
товых рессор, пружин и резиновых аморти-
заторов) соответственно ж.„ ж„р и жр. Тогда
А„=1/3; Д„р = 1/6; Ар =1/6;
__________1 8ж.-,Ж',,рЖр___
4жарЖр + Зж., (ж„р + жр)'
Если принять жл=1,75 кН/.мм, ж„р —
= 1,0 кН/мм и Жр — 10,0 кН/мм, получим
жтп = 3,4 кН/мм. Жесткость подвешивания
тележки я1е.,=2жтп, жесткость подвешивания
тепловоза жтеПл = 2жТ1!л = 4ж7П = 13,6 кН/мм.
Рис. 11.31. Сбалансированное рессорное подвешивание трехосной челюстной тележки
319
Рис. 11.32. Схема рессорного подвешивания трехосной тележки (по рис. 11.31)
Рессорное подвешивание бесче-
люстных тележек тепловозов 2ТЭ10В
и 2ТЭ116 (см. рис. 11.24) является
индивидуальным, несбалансирован-
ным. Рессорные комплекты всех
букс, состоящие каждый из трех
концентричных пружин, работают
параллельно. Если обозначить через
жк — жесткость одного пружинного
комплекта буксы, то для буксы —
точки подвешивания — жТп = 2жк,
для тележки жтел = 12гиСк, для тепло-
возов Жгепл = 24ЖК.
Индивидуальное рессорное подве-
шивание примерно в 3 раза легче
сбалансированной системы, в ней от-
сутствуют изнашиваемые шарниры
(24 точки смазывания на тележку).
Однако индивидуальная система тре-
бует тщательного подбора пружин по
размерам и жесткости.
11.7. КУЗОВ И ГЛАВНАЯ РАМА
Условия работы рамы и кузова.
Главная рама тепловоза является
основанием для силовой установки
и вспомогательного оборудования.
В связи с этим она, как и всякое ос-
нование, должна быть достаточно
жесткой, чтобы обеспечить надежную
работу размещенного на ней обору-
дования.
В то же время, так как глав-
ная рама служит и для передачи
горизонтальных поперечных и про-
дольных сил, она должна быть
достаточно прочной и жесткой и в
этих направлениях.
С увеличением мощности тепло-
возов растут как вертикальные на-
320
грузки на раму (масса одного ди-
зель-генератора составляет 27—
29 т), так и продольные силы
(тяговые, тормозные, инерционные).
Все эти обстоятельства приводят к
тому, что главная рама является
одним из наиболее крупных и тяже-
лых узлов тепловоза.
Кузов тепловоза служит для внеш-
него ограждения с целью защиты
от атмосферных воздействий основ-
ных узлов и агрегатов тепловоза и
создания необходимых условий для
работы локомотивной бригады. Ку-
зов может выполняться в виде съем-
ного капота либо быть полностью
закрытым (вагонного типа). В пос-
леднем случае кузов представляет
собой значительную металлокон-
струкцию, по ширине и длине свя-
занную с главной рамой. Поэтому
естественным дальнейшим развитием
такой конструкции является созда-
ние так называемого несущего кузо-
ва, совместно с рамой участвующе-
го в передаче вертикальных и го-
ризонтальных сил.
Использование несущего кузова
позволяет не только значительно
снизить вес главной рамы тепловоза,
но и уменьшить общий суммар-
ный вес кузова и рамы (на
20-30%).
Главные рамы и несущие кузова
поездных тепловозов рассчитывают-
ся на изгиб под действием верти-
кальных статических и динамичес-
ких нагрузок, а также на продоль-
ное сжатие и растяжение силами,
приложенными по осям автосцепок
на концах рамы. Величина продоль-
ных сил принимается не менее
2500 кН для грузовых тепловозов
и 2000 кН для пассажирских.
На современных советских тепло-
возах использованы различные кон-
струкции кузовов и, следовательно,
рам.
Несущие кузова вагонного типа
имеют пассажирские локомотивы
ТЭП10, ТЭП60, ТЭП70. Грузовые
тепловозы ТЭЗ, 2ТЭ10Л(В), 2ТЭ116
выполнены с несущей главной рамой
и составным кузовом вагонного типа.
На маневровых тепловозах приме-
нены съемные кузова капотного типа
на несущей раме.
Главная рама и кузов тепловоза
2ТЭ10В. Рама каждой секции тепло-
воза (рис. 11.33) цельносварная из
стального проката (СтЗ). Ее основу
составляют две мощные продольные
(«хребтовые») балки 4 (см. рис.
11.33,6) из двутаврового проката
№ 45а. Балки соединены между собой
поперечными перегородками 10 из
листа толщиной 10—12 мм, а по кон-
цам — передним и задним стяжными
ящиками 6 (см. рис. 11.33, а). Стяж-
ные ящики отлиты из стали 25ЛП
и служат для размещения ударно-
тяговых приборов.
Хребтовые балки усилены по своим
верхним и нижним полкам более ши-
рокими (340 мм) продольными нак-
ладными полосами 7 из стального
листа толщиной 18—20 мм. Нижние
полосы проходят по всей длине ба-
лок, а верхние — только до кабины
машиниста. Хребтовые балки сверху
и снизу связаны между собой гори-
зонтальными листами настила 9,
приваренными к усиливающим поло-
сам. Толщина листов настила раз-
личная по длине тепловоза: снизу
6—8 мм, а сверху 8 —14 мм.
Хребтовые балки, поперечные пе-
регородки, продольные полосы и нас-
тильные листы образуют жесткую
коробчатую конструкцию рамы, об-
ладающей необходимой прочностью
в продольном и поперечном направ-
лениях, как в горизонтальной, так
и в вертикальной плоскости.
Рама имеет также поперечные
кронштейны 12, штампованные из
1 I Зак. 443
листа толщиной 6 мм и приваренные
к хребтовым балкам с их наружной
стороны. Кронштейны длиной 850 мм
увеличивают ширину рамы для воз-
можности размещения на ней кузова,
ширина которого (3080 мм) значи-
тельно больше расстояния между
хребтовыми балками (1380 мм). С
наружной стороны по периметру (по
концам кронштейнов) раму окаймля-
ет обносный пояс 5, выполненный
из швеллера № 16 и являющийся
основанием для кузова. Продольные
элементы пояса (обносные балки)
приварены к торцам поперечных
кронштейнов 12. К раме приварены
также четыре опоры / для подъемки
тепловоза при ремонте. Внутри рамы
между хребтовыми балками на ниж-
них листах настила, а также на
вертикальных стенках балок укреп-
лены трубы («кондуиты»)//, в ко-
торых протянуты кабели электричес-
кой схемы. Кроме того, там же про-
ходят каналы, подводящие воздух
для охлаждения тяговых электродви-
гателей.
В средней части рамы между хреб-
товыми и обносными балками с обеих
сторон вварены отсеки (ящики) 8,
в которых размещается аккумулятор-
ная батарея. В двух местах на про-
дольной оси рамы (на расстоянии
8600 мм друг от друга) снизу при-
варены шкворни 2, соединяющие
раму с тележками. Вокруг каждого
шкворня на раме установлены по
четыре сферические опоры 3, кото-
рыми рама тепловоза опирается на
рамы тележек.
Шкворень представляет собой от-
литый из стали цилиндрический
стакан диаметром 280 мм с опорной
плитой-основанием. На его рабочую
поверхность надето и приварено пре-
рывистым швом сменное кольцо из
термообработанной стали.
Автосцепное устройство предназ-
начено для сцепления секций тепло-
возов между собой и тепловоза с
составом вагонов, удерживания всех
единиц подвижного состава на опре-
деленном расстоянии друг от друга,
передачи продольных тяговых и тор-
321
мозных сил, смягчения ударов при
сцеплении и в процессе движения.
По характеру взаимодействия
между собой автосцепные устройства
подразделяются на нежесткие и
жесткие. Нежесткими называют
устройства, допускающие неограни-
ченные смещения по вертикали од-
ной из сцепленных автосцепок по
отношению к другой. При этом про-
дольные оси сцепок могут оставать-
ся параллельными. Жесткие сцепки
не допускают таких смещений без
наклона (за счет их шарнирных сое-
динений с рамой). Существуют и по-
лужесткие сцепки, которые работают
так же, как нежесткие, но относи-
тельные вертикальные перемещения
у них ограничены.
Автосцепные устройства теплово-
зов размещаются в стяжных ящи-
ках 6 (см. рис. 11.33, а) главной
рамы так, что их продольные оси
в плане совпадают с продольной осью
тепловоза. Однако по вертикали
продольные оси сцепок и рамы на-
ходятся на разных высотах: на верх-
ней проекции рис. 11.33 видно, что
стяжные ящики расположены ниже
хребтовых балок рамы тепловоза.
Это вызвано тем, что в соответ-
ствии с Правилами технической экс-
плуатации железных дорог Союза
ССР (ПТЭ) для возможности на-
дежного сцепления различных типов
подвижного состава высота распо-
ложения осей их автосцепок от
уровня головки рельса должна ле-
жать в определенных пределах (не
более 1080 мм и не менее 1040 мм
для вновь изготовленных тепловозов
и вагонов в порожнем состоянии;
Рис. 11.33. Главная рама тепловоза 2ТЭ10В
322
в эксплуатации для полностью эки-
пированных тепловозов не менее
980 мм). Фактически у серийных
грузовых тепловозов типа 2ТЭ10,
а также у тепловозов 2ТЭ116 эта
высота составляет 1055 мм, т. е. поч-
ти равна диаметру их колес. Про-
дольная ось рамы этих теплово-
зов, хребтовые балки которой имеют
высоту более 450 мм, располагается
значительно выше колес.
Автосцепное устройство тепловоза
состоит из автосцепки, поглощающе-
го аппарата, тягового хомута, упо-
ров, центрирующего прибора и рас-
цепного привода.
На тепловозах применяется авто-
сцепка СА-3 нежесткого типа. Ее
основной частью является литой
стальной корпус, в котором размеще-
ны детали механизма сцепления. Го-
ловная часть корпуса в плане имеет
большой и малый зубья, между ко-
торыми имеется впадина (зев), в
которую выступают из тела корпуса
подвижные замок и замкодержатель.
При сцеплении малый зуб каждой
сцепки входит в зев смежной сцепки,
утапливая замок и замкодержатель.
При дальнейшем движении малые
зубья упираются во внутренние грани
больших зубьев. При этом замки обе-
их сцепок освобождаются, они высту-
пают в прежнее положение и запи-
рают обе автосцепки в сцепленном
состоянии.
Хвостовик корпуса вертикальным
клином соединен с тяговым хомутом,
который передает тяговое усилие пог-
лощающему аппарату.
Поглощающий аппарат в пределах
своего хода является упругим звеном
автосцепного устройства. На тепло-
возах применяются пружинно-фрик-
ционные поглощающие аппараты,
в которых кинетическая энергия при
соударении или продольных колеба-
ниях состава преобразуется в основ-
ном в механическую работу сил
трения клиньев о корпус аппарата
и частично в потенциальную энергию
сжатия пружин. Пружины погло-
щающего аппарата всегда работают
на сжатие. Аппарат основанием свое-
11*
го корпуса опирается на задний упор,
а нажимным конусом через упорную
плиту — на передний упор.
Центрирующий прибор автосцеп-
ного устройства представляет собой
маятниковую подвеску, способствую-
щую расположению автосцепки по
оси тепловоза (в плане).
Расцепной привод состоит из рас-
цепного рычага и цепи, соединен-
ной с замком автосцепки. Он поз-
воляет вручную вывести замок из
зева корпуса и тем самым расце-
пить автосцепки. Маневровые тепло-
возы (ТЭМ2) имеют пневматичес-
кий привод расцепного рычага, поз-
воляющий осуществлять расцепле-
ние из кабины машиниста.
Кузов тепловоза (рис. 11.34) сос-
тавной. Его основные части: перед-
няя, в которую входят кабина ма-
шиниста 1 и отсек 2 высоковольт-
ных камер и компрессора («простав-
ка»), средняя 3 (кузов над дизель-
генератором) и задняя 6, включаю-
щая в себя камеру охлаждающих
устройств (шахту холодильника) 7.
Основой конструкции кузова слу-
жит каркас в виде прямоугольной
решетки из стального проката. По
каркасу приварена наружная обшив-
ка из стальных листов толщиной
2,5 и 1,5 мм. Внутренняя обшивка
тоже стальная, ее листы крепятся
к деревянным брускам, укрепленным,
Рис. 11.34. Кузов тепловоза 2ТЭ10В
323
в свою очередь, шпильками на кар-
касе.
Верхняя часть 4 кузова над дизель-
генератором съемная. Горизонталь-
ный разъем проходит на высоте
1000 мм от основания кузова. Все
несъемные части кузова (проставка,
холодильная камера и боковые стен-
ки 3 кузова над дизель-генерато-
ром) соединены между собой и с
главной рамой сваркой. Это способ-
ствует повышению прочности и жест-
кости кузова в целом. Съемная и
несъемная части кузова окаймлены
окантовочными швеллерами 5 и со-
единяются между собой болтами.
Обшивка кузова имеет большое ко-
личество проемов различного назна-
чения. К их числу относятся: возду-
хозаборные проемы, огражденные
жалюзи или сетками и предназначен-
ные для приема воздуха для дизеля,
систем охлаждения дизеля и тяговых
электрических машин и т. д., а также
для выброса нагретого воздуха из
вентилятора холодильника; эксплуа-
тационные проемы, связанные с ра-
ботой обслуживающего персонала
(окна в кабине, верхней части кузо-
ва над дизель-генератором и в хо-
лодильной камере; двери в простав-
ке) ; технологические и ремонтные
проемы — люки в крыше кузова над
важнейшими агрегатами и узлами
Рис. 11.35. Тепло- и шумоизоляция кабины
машиниста тепловоза 2ТЭ10В
324
оборудования тепловоза, обеспечи-
вающие возможность их извлечения
без разборки кузова.
Кабина машиниста на любом локо-
мотиве является основным рабочим
местом локомотивной бригады, а в
первую очередь машиниста, ведуще-
го поезд.
Кабина машиниста тепловоза
2ТЭ10В для предохранения бригады
от шума дизеля и смягчения ударов
и колебаний выполнена отдельной
(отъемной) частью кузова. Она сое-
диняется по поперечному периметру
кузова с проставкой (болтами на
резиновой прокладке), а на раму
устанавливается на десяти коничес-
ких амортизаторах из резины. На-
ружная обшивка кабины выполнена
из листа толщиной 2 мм.
Кабина имеет большие оконные
проемы на лобовой и боковых стенках
для обеспечения хорошей видимости.
На лобовых стеклах установлены
стеклоочистители. Снаружи кабины у
боковых окон установлены зеркала
для возможности обзора состава.
В конструкции кабины много вни-
мания уделено вопросам ее тепло-
и звукоизоляции от дизельного по-
мещения. Все стенки кабины, ее по-
толок и пол ограждены шумопогло-
щающими материалами (рис. 11.35).
Изоляция задней стенки кабины вы-
полнена из двух слоев стеклоплиты
2 толщиной по 45 мм и проме-
жуточного слоя трехмиллиметровой
фанеры 1. Потолок, лобовая и боко-
вые стенки изолированы слоем капро-
нового волокна 3 толщиной 55 мм,
размещенными между наружной об-
шивкой 7 и внутренними стенками
5 из перфорированного алюминие-
вого листа толщиной 2 мм. Дверь в
задней стенке кабины изготовлена
из двух слоев фанерного листа
толщиной 10 мм с заполнением прост-
ранства между ними слоем капроно-
вого волокна толщиной 50 мм.
Остекление двери также двойное.
Пол кабины состоит из съемных
щитков из фанеры толщиной 20 мм,
уложенных на металлический каркас.
Сверху щиты покрыты линолеумом
6, а снизу имеют звукоизолирующий
слой минеральной ваты 4 толщиной
50 мм, закрытый фанерой (3 мм).
Крыша кабины имеет люк для
извлечения двухмашинного агрегата,
находящегося под полом кабины. В
середине передней стенки кабины под
лобовым стеклом размещена ниша
для установки прожектора.
Для создания необходимых тем-
пературных условий в кабине уста-
навливаются калориферы и грелки
для ног. Вентиляция кабины в лет-
нее время обеспечивается двумя при-
точными дефлекторами, использую-
щими динамический напор встречно-
го потока воздуха при движении
тепловоза. Дефлекторы размещены
в крышке потолочного люка кабины
машиниста.
Несущие кузова. Основными несу-
щими элементами в таких конструк-
циях служат рама и боковые стенки
кузова. Конструкция стенок может
быть различной. Стенки могут быть
выполнены в виде раскосной фермы,
воспринимающей нагрузки, и укреп-
ленной на ней листовой обшивки,
служащей ограждением. Кузов с та-
кими стенками называют ферменным,
или раскосным. Конструкция этого
типа получила распространение на
пассажирских тепловозах Коломен-
ского завода (ТЭП60, ТЭП70).
Кроме того, возможна конструкция
кузова с цельнонесущими стенками
оболочкового типа, у которых основ-
ным несущим элементом служит са-
ма стенка, т. е. обшивка, усилен-
ная решетчатым каркасом для обес-
печения ее жесткости.
Кузов тепловоза ТЭП60 (рис.
11.36, а) имеет боковые стенки с
каркасом раскосного типа в виде
несущей фермы с восходящими к
середине кузова раскосами 1 и вер-
тикальными стойками 2. Каркасы
стенок выполнены из фасонного
стального проката (сталь 20) и при-
варены к раме, являющейся ниж-
ним поясом кузова (рис. 11.36, в).
Рама состоит из двух хребтовых
балок 5, в качестве которых исполь-
зованы трубы диаметром 194 мм и
толщиной стенок 6 мм, а также двух
боковых продольных сварных балок
3 коробчатого сечения размерами
66 (ширина) Х250 (высота) мм, ко-
торые служат нижним поясом боко-
вых стенок. Общие размеры сечения
трубных хребтовых балок несущего
кузова значительно меньше сечения
двутавровых хребтовых балок рамы
тепловоза 2ТЭ10В.
Все продольные элементы нижнего
пояса по концам соединены свар-
ными стяжными ящиками, а между
ними — четырьмя поперечными
шкворневыми балками из листовой
стали толщиной 10 мм, в которых
размещены стаканы центральных
опор кузова. Сверху рама покрыта
настильным листом 6. Топливный
бак, находящийся в средней части
рамы, также включен в схему пере-
дачи нагрузки. По бокам топливного
бака образованы ниши для аккуму-
ляторной батареи. Верхний пояс 4
стенок кузова образован двумя про-
дольными швеллерами № 16. Обшив-
ка кузова, выполненная из алюми-
ниевых листов толщиной 3 мм, укреп-
лена на каркасе стенок заклепка-
ми и в передаче нагрузок не участ-
вует.
Кузов тепловоза ТЭП70 (рис.
11.36, б) также ферменно-раскосного
типа. Рама и каркасы боковых сте-
нок с целью снижения веса выпол-
нены из низколегированной стали
09Г2, обшивка — из алюминия.
Крыша кузова выполнена съемной,
блочной. Ее отдельные блоки скреп-
ляются с боковыми стенками кузова
при помощи арок 7. Особенностью
рамы кузова является отсутствие
хребтовых балок: она состоит из двух
главных продольных боковых балок
9 (рис. 11.36, г) коробчатого сече-
ния. Балки сварены из элемента
серпообразного профиля толщиной
7 мм и швеллера № 30. Продоль-
ные балки соединены двумя лобовы-
ми поперечными балками и четырьмя
поперечными шкворневыми.
Верхний пояс 8 ферм боковых
стенок образован элементами серпо-
образного профиля.
325
В силовую схему кузова включены
топливный бак и каналы централи-
зованной системы воздушного ох-
лаждения тяговых электрических ма-
шин (см. гл. 12).
Кузов тепловозов типа ТЭ10 цель-
нонесущий безраскосный, также
отличается фактическим отсутствием
хребтовых балок.
Его рама (нижний пояс) состоит
из двух продольных боковых балок
коробчатого сечения, Связанных
пятью поперечными балками и дву-
мя стяжными ящиками. Каркас
боковых стенок представляет собой
прямоугольную решетку из верти-
кальных элементов — стоек и гори-
зонтальных — стрингеров. Обшивка
боковых стенок из стального листа
326
толщиной 3 мм приварена к карка-
су и участвует в передаче нагрузки.
Каждая боковая стенка по существу
представляет собой цельносварную
продольную тонкостенную балку. Ку-
зов такого типа, примененный и на
тепловозах ТЭ109, при прочих рав-
ных условиях несколько тяжелее,
но в то же время прочнее кузова
с раскосными фермами. Однако кузов
с несущей оболочкой значительно
сложнее в изготовлении и, кроме то-
го, он существенно ограничивает
возможности устройства различных
проемов в стенках кузова (напри-
мер, для забора охлаждающего воз-
духа), необходимость в которых воз-
растает с увеличением мощности
тепловозов.
Рис 11.36. Несущие кузова:
а — тепловоза ТЭП60, б — тепловоза ТЭП70, ей 7 4
г — соответственно схемы поперечных сечений
3
I
5 S
1
Е
Кузова капотного типа. Они приме-
няются на маневровых тепловозах.
Кузов тепловоза ТЭМ2 (рис. 11.37)
состоит из пяти частей (слева напра-
во по рисунку): камеры холодиль-
ника 3 с диффузором вентилятора
4, капота над двигателем 7, капота
над высоковольтной камерой 10, ка-
бины машиниста 11 и капота над
аккумуляторной батареей 13. Между
собой части кузова соединены бол-
тами. Камера холодильника и кабина
приварены к главной раме, которая
при таком кузове является единст-
венной несущей конструкцией. Капот
над двигателем съемный. Он при-
креплен болтами к главной раме,
холодильной камере и капоту над
высоковольтной камерой. Для воз-
можности обслуживания оборудова-
ния тепловоза боковые стенки капо-
тов выполнены в виде ряда дверок
14, обеспечивающих доступ к основ-
ным агрегатам. Двери имеются и на
торцовых (спереди и сзади) стенках
кузова.
Для возможности извлечения от-
дельных агрегатов из кузова на кры-
ше капотов прорезаны люки, закры-
ваемые крышками. Для выемки ак-
кумуляторов используется люк 12.
Компрессор вынимают через люк 9,
турбокомпрессор — через люк 8, уз-
лы дизеля и привода агрегатов —
через люки 6 и 5. На торцах кузова
имеются люки 2 для набора песка
и скобы 1 для доступа к ним.
Главная рама тепловоза ТЭМ2
327
Рис.
11.37. Капотный кузов тепловоза ТЭМ2
аналогична по конструкции раме теп-
ловоза 2ТЭ10В. Вокруг капота на
настиле рамы образованы площадки:
передняя, задняя и боковые с на-
ружным ограждением. Концевые пло-
щадки имеют с двух сторон лестни-
цы. Кабина машиниста имеет выход
на боковые площадки вперед и назад,
что позволяет проводить осмотр и
обслуживание силовых агрегатов на
ходу тепловоза. Кабина дает воз-
можность хорошего обзора, так как
она имеет окна со всех четырех сто-
рон, что особенно важно в условиях
маневровой работы на станциях.
11.8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
СЦЕПНОГО ВЕСА ТЕПЛОВОЗА
Развеска тепловоза. При проекти-
ровании и эксплуатации тепловоза
необходимо обеспечить равномерное
распределение его веса по всем
ведущим колесным парам. Для того
чтобы обеспечить теоретическое ра-
венство статических нагрузок от ко-
лесных пар на рельсы, необходимо
следующее:
обеспечить совпадение положения
центра тяжести всего надтележечно-
го строения тепловоза с геометриче-
ской серединой длины его рамы
(предполагается, что в поперечной
плоскости центр тяжести лежит на
вертикальной оси симметрии рамы);
328
разместить опоры кузова на те-
лежки на одинаковых расстояниях
от центра тяжести надтележечного
строения тепловоза (или от середины
его длины);
обеспечить идентичность характе-
ристик элементов упругого подве-
шивания.
Первые две операции выполняются
при проектировании тепловоза в про-
цессе так называемой его развески.
Третье условие обеспечивается под-
бором рессорных элементов при сбор-
ке тепловоза.
При выполнении этих условий вес
тепловоза, стоящего на прямо гори-
зонтальном пути, будет передаваться
на рельсы через все его колеса рав-
номерно.
Однако выполнить все эти условия
полностью и обеспечить абсолютное
равенство этих нагрузок очень слож-
но. Поэтому техническими условиями
допускается возможность отклоне-
ния фактических нагрузок от колес-
ных пар на рельсы от средних
(проектных) значений на +3 %—
для тепловозов с осевыми нагруз-
ками до 225 кН и на ±2 % —
для нагрузок до 245 кН.
Сила тяги FKni, развиваемая каж-
дой колесной парой, по условиям
сцепления с рельсами ограничивает-
ся величиной нагрузки от этой ко-
лесной пары на рельсы 2/7,: /ч,,,^
^ф2/7,, где ф — коэффициент сцеп-
ления.
Так как на колесных парах тяговые элек-
тродвигатели одинаковы, то сила тяги всего
тепловоза FK, которая аналогично связана
с его весом Рк (FK^i^PK, где РК — Х2П,),
не должна в то же время превышать ве-
личины nFKn min (n—число ведущих осей;
FK1I min = 0,97(p2/7). Отсюда следует, что из-за
допускаемой неравномерности нагрузок по
колесным парам максимальная сила тяги
тепловоза будет ограничиваться колесной па-
рой с минимальной нагрузкой и может быть
на 2—3 % меньше расчетной по его сцеп-
ному весу.
В таких случаях говорят, что сцепной
вес тепловоза недоиспользуется соответ-
ственно на 2 или 3 % только вследствие
неточности его развески.
При движении тепловоза на рас-
пределение нагрузок по колесным па-
рам влияет работа его тяговых
электродвигателей.
Влияние работы тягового электро-
двигателя на нагрузку от колесной
пары на рельсы наиболее проявля-
ется при опорно-осевом подвешива-
нии. Рассмотрим силовое взаимодей-
ствие тягового электродвигателя с
колесной парой и рамой тележки
(рис. 11.38).
Тяговый двигатель развивает момент М,
который приводит во вращение колесную
пару вследствие давления зуба ведущей
шестерни на зуб ведомого зубчатого колеса
(сила Z).
Сила Z = M/r}, где г, — радиус шестерни,
направлена вверх, если тяговый электродви-
гатель расположен в тележке за колесной
парой по направлению движения (как по-
казано на рнс. 11.38). Сила Z направлена
вниз, если двигатель расположен перед ко-
лесной парой (при движении назад на
рис. 11.38).
Если в точке В (на оси колесной пары)
приложить две равные и противоположно
направленные силы Z (вверх) и Z * (вниз),
равные по величине силе Z, то увидим, что
силы Z и Z1 образуют пару сил, обеспе-
чивающую вращение колесной пары (ее
момент при равномерном движении уравно-
вешивается моментом сил сопротивления на
колесе), а сила Z1 разгружает колесную па-
ру, уменьшая нагрузку от нее иа рельсы.
При движении в другом направлении сила
Zr увеличивает осевую нагрузку. Так как на
тепловозах двигатели передней и задней теле-
жек расположены симметрично по отношению
к своим колесным парам, общая сумма
разгрузок колесных пар равна сумме перегру-
зок, что очевидно, ибо вес тепловоза при
движении ие меняется. Однако наличие раз-
груженных колесных пар еще более уменьшает
максимальные значения сил тяги, которые мо-
жет реализовать тепловоз, как объяснялось
выше.
В точке С по третьему закону Ньютона
на зуб шестерни действует реакция Zi, рав-
ная по величине силе Z и противоположно
иаправлениая.
Приложив две равные и противоположно
,111 ,1V
направленные силы Z и Z , равные по
величине Z = Zi, в точке D на оси вала якоря
тягового электродвигателя, увидим, что силы
Zi и Z"' создают реактивный момент МР = М.
уравновешиваемый моментом на валу тягово-
го электродвигателя. Сила Z1V действует
через подшипники вала якоря на корпус
двигателя и также передается на его
опоры.
Определим эти силы, изменяющие наг-
рузки иа ось колесной пары и раму тележки.
Рис. 11.38. Схема силового взаимодействия
тягового электродвигателя и колесной пары
В точке В (на оси колесной пары) сила
RB, увеличивающая нагрузку от оси на рельс
(при направлении движения, указанном на
рис. 11.38),
_ Z-------------.
В точке А (на кронштейне рамы тележ-
ки) сила RA, увеличивающая нагрузку на
раму тележки (при направлении движения,
указанном на рис. 11.38),
Г, + Г2
При противоположном направлении дви-
жения силы RA и Rb направлены вверх.
Кроме того, на статор двигателя действу-
ет реактивный электромагнитный момент
МС = М, который также воспринимается
опорами двигателя, т. е. осью и подвеской,
в виде сил
Кмв~ —
На схеме рис. 11.38 сила RMB увеличи-
вает нагрузку на ось, а сила RMA разгружа-
ет подвеску. По своей абсолютной величине
силы Rma и Rmb меньше сил RA и RB.
Таким образом, при расположении
тягового двигателя за колесной па-
рой и опорно-осевом его подвешива-
нии колесная пара разгружается
на величину A/7i = Z — RB — RMb=
329
Рис. 11.39. Влияние силы тяги на нагрузки от
осей на рельсы
= Mi/L, где 1 = гч)г\—передаточное
число тягового редуктора. При об-
ратном направлении движения наг-
рузка на колесную пару возрастает
на эту же величину. При опорно-
рамном подвешивании нагрузка пе-
рераспределяется только вследствие
реактивного момента.
Другой причиной, изменяющей
нагрузки на колесные пары, является
реализация силы тяги и передача
ее составу.
Перераспределение нагрузок от
колесных пар на рельсы под действи-
ем силы тяги наиболее заметно
проявляется при жестком (чегырех-
опорном) опирании кузова на каж-
дую тележку (как на тепловозах
2ТЭ10Л и ТЭЗ). В этом случае
рама тележки не может перемешать-
ся в вертикальной плоскости отно-
сительно кузова и их можно считать
за одно целое. На рамы тележек
от каждой колесной пары передаются
силы FKn (рис. 11.39), а к автосцепке
тепловоза приложена сила сопротив-
ления состава W, которую при равно-
мерном движении, если пренебречь
сопротивлением локомотива, можно
принять равной его силе тяги W =
— nF кп-
Вследствие разности уровней при-
ложения этих сил относительно уров-
ня головки рельса на раму и кузов
тепловоза действует неуравновешен-
ный момент MT = nFKn(hQ — гк), где
/ic=l,0 м — высота автосцепки;
гк = 0,525 м — радиус колеса.
Наличие этого момента приводит
к перекосу кузова и изменяет его
вертикальные нагрузки на тележки
на величину Т = МУ/В, где В — база
тепловоза. Причем, очевидно, что пе-
редняя тележка разгружается, а зад-
330
няя перегружается. Величина изме-
нения нагрузки на колесную пару
Д/72 = |/?т| =Т/т = Мт/тВ,
где т — число осей в тележке.
Коэффициент использования сцеп-
ного веса. При реализации силы
тяги в самом неблагоприятном слу-
чае максимальная разгрузка колес-
ной пары может составить Д/7 =
= Д/71-j- Д/?2- Тогда нагрузка на
рельсы от наименее нагруженной ко-
лесной пары может составить 2/7mjn=
= 2/7(1 — 0,03) - Д/7, где 0,03 — до-
пускаемое техническими условиями
относительное отклонение осевой
нагрузки (при 2/7^225 кН).
Отношение нагрузки наиболее раз-
груженной оси к расчетной называ-
ется коэффициентом использования
сцепного веса |3К:
_ 277тш 277(1 - 0,03) — \П
Рк 2/7 ~ 2П ~
Коэффициент использования сцеп-
ного веса характеризует тяговые
свойства тепловоза, он показывает,
какую долю от теоретически воз-
можной силы тяги может реализо-
вать тепловоз. Как видно из изложен-
ного выше, величина рк зависит от
расположения и способа подвешива-
ния тяговых электродвигателей, а
также от конструкции рессорного
подвешивания и устройств для пере-
дачи силы тяги.
Серийные грузовые тепловозы с че-
люстными тележками (ТЭЗ, 2ТЭ10Л)
имеют довольно низкие значения
коэффициента использования сцеп-
ного веса: 0,75—0,78. Изменение
расположения тяговых электродвига-
телей на одностороннее на тележках
тепловозов 2ТЭ10В и 2ТЭ116 позво-
лило повысить рк до 0,83—0,86.
11.9. ДИНАМИКА ТЕПЛОВОЗА
Рассмотренные выше изменения
нагрузок на колесные пары хотя
и имеют место при движении тепло-
воза, по существу, могут считаться
статическими, так как связаны с
перераспределением веса и более все-
го заметны при малых скоростях
движения, особенно при трогании с
места, когда должна реализоваться
наибольшая величина силы тяги.
При движении тепловоза со сред-
ними и высокими скоростями боль-
шое значение приобретают динами-
ческие нагрузки на узлы его экипаж-
ной части. Эти нагрузки возникают
при колебаниях тепловоза, ударах со
стороны пути (например, на неров-
ностях или стыках рельсов) и т. д.
и зависят, в первую очередь, от ско-
рости движения.
Предметом динамики локомотивов
и является изучение динамических
взаимодействий локомотива и пути
в процессе движения на прямых и
кривых участках пути и исследова-
ние условий, обеспечивающих безо-
пасность движения.
Особенности движения тепловоза в
прямых участках пути. При движе-
нии колесных пар в рельсовой ко-
лее между гребнями колес и внутрен-
ними гранями головок рельсов име-
ются зазоры.
Минимальная величина суммарно-
го зазора 2о составляет 2очин =
= (1520-4) -(1440+ 3)-2-33 =
= 7 мм; максимальная величина
2омакс = (1524 + 6) - (1440 -
— 3) — 2-25 = 43 мм. Здесь соответст-
венно (1520 — 4) и (1524 + 6) —
наименьшая и наибольшая ширина
рельсовой колеи в прямых участках
пути; 1440±3—наибольшее и наи-
меньшее расстояния между внутрен-
ними гранями бандажей; 33 и 25 —
наибольшая и наименьшая толщина
гребней бандажа в эксплуатации.
(Приведенные значения относятся к
локомотивам со скоростями движе-
ния до 120 км/ч.)
Наличие зазоров, меняющихся от
7 до 43 мм в эксплуатации, при-
водит к произвольным поперечным
перемещениям колесных пар и теле-
жек относительно оси пути. Эти пере-
мещения вследствие коничности бан-
дажей носят характер более или ме-
нее периодических колебаний. Раз-
личают два главных вида таких коле-
баний: поперечный относ, т. е. одно-
временное смешение обеих тележек в
одну сторону, при котором ось
локомотива остается параллельной
оси пути, и виляние — перекосы ло-
комотива в рельсовой колее при пере-
мещении тележек в разные стороны.
В результате движение локомотива
в пределах этих зазоров оказывается
извилистым, напоминающим синусо-
иду. Длина волны, т. е. период ко-
лебаний, зависит от состояния банда-
жей. При нормальной конусности
(1:10) она примерно составляет 18 м,
при изношенных бандажах длина
волны уменьшается, т. е. колебания
становятся более частыми. Вилянию
способствует наличие разбегов колес-
ных пар в буксах. Трение в опорах
кузова несколько сдерживает изви-
листость движения.
Вертикальные динамические на-
грузки в процессе движения теплово-
за приводят также к перегрузке
или разгрузке отдельных колесных
пар. При расчетах деталей и узлов
колесных пар на прочность учиты-
вают так называемые динамические
добавки Рдин, т. е. возможные уве-
личения статических вертикальных
нагрузок Рст при движении. Эти
нагрузки носят случайный характер,
и их вероятные значения определяют-
ся на основе обобщения статисти-
ческих данных, получаемых в процес-
се многочисленных исследований.
Принято определять Рдин в виде
доли от Рст: Pju,H = kvP„, где kv —
коэффициент вертикальной динами-
ки.
Всесоюзным научно-исследова-
тельским институтом железнодорож-
ного транспорта предложена фор-
мула для kv:
kv = 0,1 +0,2 у-.
где v — скорость движения, км/ч; + —
статический прогиб рессорного подвеши-
вания, мм.
При численном равенстве величин
Шонстр и /ст, к которому сейчас
33!
стремятся при проектировании тепло-
возов, максимальное значение k,.=
= 0,3, т. е. расчетные вертикальные
нагрузки увеличиваются на 30 %
при движении с максимальной ско-
ростью, При более жестком рессор-
ном подвешивании величина динами-
ческих добавок будет выше.
Движение тепловоза в кривых.
Для облегчения прохождения под-
вижным составом кривых участков
пути ширина рельсовой колеи до-
полнительно увеличивается в кривых
радиусом 300—350 м на величину
Д = 10 мм, в кривых меньшего радиу-
са на А =15 мм (за счет перемеще-
ния внутреннего рельса в сторону
центра кривой).
При движении тепловоза в кривой
радиусом R со скоростью и на него
дополнительно действует центробеж-
ная сила С = PKv2/(gR), приложен-
ная в центре тяжести на высоте
hc (здесь Рк—вес тепловоза; g~
= 9,81 м/с2 — ускорение силы тя-
жести). Величина силы С может
достигать 30 % веса локомотива. Эта
сила приводит к поперечному пере-
косу кузова, увеличению нагрузок
на наружные буксы колесных пар и
уменьшению нагрузок на внутренние.
Такое же неблагоприятное действие
может оказывать сила давления бо-
кового ветра. Поэтому центробежная
сила и сила ветра учитываются при
расчете узлов экипажной части на
прочность. Частично опрокидываю-
щее действие центробежной силы
компенсируется возвышением на-
ружного рельса в кривых участках
пути. Максимальное возвышение
составляет 150 мм, следовательно, им
можно уравновесить по величине не
более 10 % веса тепловоза, или при-
мерно одну треть центробежной си-
лы. Две трети ее остаются неурав-
новешенными.
Возможности прохождения локо-
мотивами кривых участков пути про-
веряются так называемым вписыва-
нием локомотивов в кривые.
Для кривых малого радиуса, кото-
рые имеют место на путях локо-
мотивных депо и в которых локомо-
332
тивы следуют, как правило, с малой
скоростью и без состава, важно
проверить саму возможность вписы-
вания локомотива в кривую задан-
ного радиуса. Это так называемое
статическое вписывание, которое осу-
ществляется геометрически.
Для кривых, встречающихся на
перегонах, в которых локомотив дви-
жется с поездом и с большой ско-
ростью, следует определять силы,
действующие на колеса и рельсы,
для оценки допустимости заданных
скоростей по условиям прочности
колес и рельсов и обеспечения бе-
зопасности движения. Это так назы-
ваемое динамическое вписывание.
Геометрическое вписывание в кри-
вые не может быть выполнено прос-
тым графическим построением. Дело
в том, что величина зазоров между
гребнями колес и рельсами, как
было показано выше, мала сама по
себе и очень мала по сравнению с
линейными размерами локомотива, а
тем более с радиусом кривой. Если
попытаться изобразить последние
даже в масштабе 1:100 (радиус на
чертеже будет иметь величину 1—3 м,
длина локомотива — примерно
200 мм), то зазоры между коле-
сами и рельсами на чертеже просто
исчезнут — их величина будет мень-
ше толщины линий. Поэтому необ-
ходимо применять специальные по-
строения, при которых используются
различные масштабы для разных
размеров.
Наиболее часто для геометрическо-
го вписывания применяется метод
параболической диаграммы.
При геометрическом вписывании
для упрощения чертежа изобража-
ются лишь внутренние грани рельсов,
а расстояние между ними прини-
мается равным минимальному зазору
между гребнями и рельсами в кривой
(2омин-+-А). Соответственно локомо-
тив и его тележки изображаются
одной прямой линией, представляю-
щей горизонтальный след совмещен-
ных плоскостей наружных граней
гребней колес. Колесная пара явля-
ется точкой на этой линии.
Если для хорды (базы локомо-
тива) и для поперечных зазоров при-
нять при построении кривых разные
масштабы (не связанные между со-
бой, причем масштаб уменьшения
размеров хорд, естественно, должен
быть значительно меньше масштаба
зазоров), то дуги окружностей рель-
сового пути превратятся в дуги эл-
липсов. Последние же на небольшом
своем участке, необходимом для
построения, могут быть заменены
ветвями параболы (поэтому метод
построения и называется методом па-
раболической диаграммы).
Построения проводятся так (рис.
11.40). На листе чертежа вверху
изображается в масштабе тх =
— 1 /204-1 /50 схема экипажа тепло-
воза с указанием положения всех
его осей и центров поворота теле-
жек. Под ней проводится горизон-
тальная ось координат X, в середине
которой размещается начало коорди-
нат 0, от которого вниз направляется
ось У. Затем из точки начала коорди-
нат в обе стороны строятся ветви
параболы наружного рельса по урав-
нению
где ту=\ или 1/2 — масштаб попереч-
ных зазоров.
Затем от начала координат по оси
У откладывают (в масштабе ту)
величину зазора (2стМин + Д)- Точка
0' будет вершиной параболы внут-
реннего рельса, остальные точки вет-
вей параболы внутреннего рельса
получают аналогично: смещая соот-
ветствующие точки параболы наруж-
ного рельса по вертикали на вели-
чину (2аМин + А) ту.
Затем на диаграмме в зазорах
между рельсами изображается по-
ложение тележек экипажа. Надо
иметь в виду, что при движении с
малыми скоростями тележки нахо-
дятся в так называемом положении
наибольшего перекоса, при котором
гребень набегающего колеса упира-
ется во внутреннюю грань наруж-
Рис. 11.40. Геометрическое вписывание тепло-
воза в кривую методом параболической диаг-
раммы
ного рельса, а последняя колесная
пара тележки гребнем упирается
во внутренний рельс. Упор гребня
колеса в рельс, т. е. отсутствие
зазора между гребнем и рельсом,
на чертеже будет выглядеть совме-
щением точки колесной пары с пара-
болой соответствующего рельса. Поэ-
тому экипаж в кривой строится так.
Точки крайних колесных пар каждой
тележки вертикально проектируются
на параболы соответствующих рель-
сов (точки 1, 3, 4 и 6). Затем
эти точки попарно (/—3 и 4—6)
соединяются отрезками прямых,
изображающими тележки. На эти от-
резки проектируются точки 2 и 5,
соответствующие средним колесным
парам. Размещение этих точек внут-
ри параболы внутреннего рельса бу-
дет означать, что для возможности
прохождения кривой средняя ось
должна иметь поперечный разбег не
менее величины 2~ 2' (или 5 — 5')
в масштабе ту. На оси тележек
также проектируются положения их
шкворней Ai и Л2, что дает возмож-
ность построить положение оси теп-
ловоза и определить ее отклонения
от оси пути в средней части ув и по
концам у„ (в масштабе ту), а также
углы поворота тележек. (При опреде-
лении последних надо не забыть,
что на диаграмме они искажены
из-за разных масштабов по осям
координат.)
333
Рис. 11.41. Схема сил, действующих на те-
лежку при движении в кривой
Силы, действующие на ходовые
части тепловоза при движении в кри-
вых. Рассмотрим часто встречающее-
ся при движении в кривых разме-
щение трехосной тепловозной тележ-
ки в положении так называемой «сво-
бодной установки»: набегающая ко-
лесная пара гребнем упирается в
наружный рельс, а последняя колес-
ная пара имеет зазоры со стороны
обоих рельсов. Такое положение те-
лежки является промежуточным при
ее вилянии от положения наиболь-
шего перекоса к динамической уста-
новке, когда обе крайние колесные
пары прижаты к наружному рельсу.
При вилянии в кривой тележка со-
вершает сложное движение. Опреде-
лим положение ее мгновенного цент-
ра поворота Q (рис. 11.41), опустив
из центра кривой перпендикуляр на
ось тележки 1—2—3. Повороту и
поперечному скольжению тележки
препятствуют силы трения колес
с рельсами Пу (р — коэффициент
трения скольжения). Эти силы на
каждом колесе перпендикулярны лу-
чам, соединяющим точку приложе-
ния силы с центром поворота Q. Сос-
тавляющие этих сил — продольные
Н, и поперечные К — определяются
графически или аналитически:
Vi = Пу
xi
з/xf + 72
S
д/хГ4- s*
Н=Пу
На тележку действует часть цент-
робежной силы инерции, не уравно-
вешенная возвышением наружного
рельса h,
Сг = 2тП(-^--^ ,
т V gR 2s /
зависящая от скорости движения,
и направляющее усилие со стороны
наружного рельса У1 (здесь т —
число осей в тележке). При наличии
возвращающих устройств в опорах
тележки должны учитываться и воз-
вращающие силы (или их момент
Мв).
Составим уравнения равновесия
тележки:
-У. + G + SK^O
(сумма всех поперечных сил равна
нулю) и
Ст%2 “У SAfTp — Л4В = О
(сумма моментов относительно цен-
тра поворота равна нулю).
Из двух уравнений можно найти
две неизвестные величины.: Yi и Ст.
Зная величину Ст, можно определить
величину скорости движения v, соот-
ветствующей данной установке те-
лежки:
v =л/(л^п'+ ‘2s’) sR'
Боковое давление на рельс соста-
вит Y\ — Vi — Уь
Безопасность движения тепловоза
в кривых участках пути считается
обеспеченной, если исключается
возможность всползания гребня на-
бегающего колеса, что могло бы
привести к сходу колесной пары с
рельсов. Установлено, что это усло-
вие гарантируется (с запасом), если
отношение бокового давления колеса
на рельс Y\ к вертикальной нагрузке
П не превышает 0,8 (У|//7^0,8).
На основе этого соотношения в про-
цессе динамического вписывания мо-
гут быть определены максимальные
допустимые скорости движения в за-
данных кривых.
Глава 12. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЗА
Вспомогательным оборудованием
тепловоза называется совокупность
устройств, обеспечивающих нор-
мальную работу дизеля, передачи в
экипажной части. Вспомогательное
оборудование дизеля было рассмот-
рено в гл. 6. Данная глава посвяще-
на вспомогательному оборудованию,
связанному с работой передачи и эки-
пажной части, а также устройствам,
относящимся к тепловозу в целом.
К вспомогательному оборудова-
нию, обеспечивающему работу пере-
дачи, могут быть отнесены система
воздушного охлаждения тяговых
электрических машин и система
охлаждения рабочей жидкости гид-
ропередачи. Вспомогательным обору-
дованием экипажной части являются
песочная система, система вентиля-
ции кузова, противопожарные
устройства и система пожарной сиг-
нализации. Общей для основных
агрегатов тепловоза является воз-
душная система управления.
12.1. СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО
ОХЛАЖДЕНИЯ ТЯГОВЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Назначение системы охлаждения.
При работе тяговых электрических
машин часть подведенной к ним
энергии преобразуется в активных
частях машины (в обмотках и маг-
нитной системе) в тепловую, что ве-
дет к нагреванию машин и повыше-
нию температуры обмоток и их изоля-
ции. Тепловое состояние электричес-
кой машины характеризуется темпе-
ратурами /, ее активных частей,
точнее, превышениями т, этих тем-
ператур над температурой охлаж-
дающего воздуха to: Ti—ti — t0.
Увеличение температур обмоток
ускоряет старение электроизоля-
ционных материалов. Для каждого
класса изоляции существует опре-
деленный уровень температур,
превышение которого на 5—10 °C
приводит к сокращению долговечно-
сти изоляции (срока службы) в два
раза. В связи с этим на основе тех-
нико-экономических соображений
предельные значения превышений
температур обмоток т,мах строго огра-
ничиваются стандартами в соответ-
ствии с классами изоляции и имеют
следующие значения (при темпера-
туре наружного воздуха /о = 25°С).
Максимальный перегрев Класс
изоляции
ттах, °C В F Н
Для обмотки якоря . . 120 140 160
» обмоток полюсов . 130 155 180
Таким образом, основным назна-
чением системы охлаждения тяговых
электрических машин и аппаратов
является создание условий тепло-
отвода, в которых превышение тем-
ператур обмоток при любых возмож-
ных режимах работы не выходило бы
за допустимые пределы.
На тепловозах с электрической
передачей переменно-постоянного
тока не менее важным, чем электри-
ческие машины, объектом охлажде-
ния является полупроводниковая
выпрямительная установка.
Условия работы системы. Тяговые
электрические машины (тяговые
электродвигатели и главные генера-
торы) имеют на современных тепло-
возах интенсивное воздушное охлаж-
дение. По условиям нормального
температурного режима для охлаж-
дения тяговых машин требуются зна-
чительные количества воздуха. В
среднем для тяговых электродвигате-
лей требуется примерно 0,25—0,30
м3/мин воздуха на каждый киловатт
мощности. В целом по тепловозу
общее количество воздуха, вентили-
рующего электрические машины,
335
18,0—21,0 м3/ч на каждый киловатт
эффективной мощности дизеля.
Воздух для охлаждения тяговых
электрических машин забирается
снаружи тепловоза через воздухо-
заборные отверстия в стенках кузова.
Технические требования. Система
должна обеспечить возможность ра-
боты тяговых электрических машин
при температурах наружного воз-
духа от —50 до +40 °C. Система
должна гарантировать защиту тя-
говых электрических машин от по-
падания с охлаждающим воздухом
загрязнений, существенно влияю-
щих на их надежность и долговеч-
ность, т. е. должна обеспечивать очи-
стку охлаждающего воздуха. Затра-
ты мощности на работу системы
должны быть минимально возмож-
ными и не должны превышать 4—
5 % эффективной мощности дизеля
тепловоза.
Основные узлы системы. Системы
воздушного охлаждения тяговых
электрических машин тепловозов
состоят из воздухоприемных устрой-
ств (жалюзи или сетки), воздушных
фильтров, вентиляторов и воздухо-
водов. В зависимости от размещения
вентилятора тяговые машины делят-
ся на самовентилируемые (вентиля-
тор встроен в машину и находится
на ее валу, как у тяговых генера-
торов тепловозов ТЭМ2, ТЭЗ и т. и.)
и машины с независимой вентиля-
цией—от отдельного самостоятель-
ного вентилятора (тяговые электро-
двигатели и главные генераторы сов-
ременных тепловозов). Кроме того,
различают системы вентиляции
индивидуальные, групповые и цен-
трализованные. При индивидуальной
системе каждая машина имеет свой
вентилятор, при групповой один вен-
тилятор подает воздух нескольким
однотипным машинам. Централизо-
ванная система предполагает возду-
хоснабжение всех электрических ма-
шин тепловоза от одной мощной
вентиляторной установки.
Современные отечественные теп-
ловозы имеют смешанную систему
воздухоснабжения электрических
336
машин: тяговые генераторы снабже-
ны индивидуальными вентиляторами,
а тяговые электродвигатели объеди-
нены в две групповые системы (по
тележкам).
На тепловозах с электрической пе-
редачей переменно-постоянного тока
(2ТЭ116, ТЭ109) имеется также ин-
дивидуальная система охлаждения
полупроводниковых выпрямителей.
Некоторые новые тепловозы (ТЭП70,
ТЭП75, ТЭМ7, 2ТЭ121) имеют цен-
трализованные системы охлаждения
тяговых электрических машин и
аппаратов.
Достоинством централизованных
систем является замена трех-четырех
вентиляторов одним, что упрощает
конструкцию привода, снижает вес
привода его от вала дизеля. В цен-
трализованных системах можно ис-
пользовать более эффективные высо-
копроизводительные вентиляторы.
Недостатком централизованной сис-
темы является наличие дополнитель-
ных воздуховодов большой протя-
женности и увеличение затрат мощ-
ности, связанное с повышением по-
терь давления.
Вентиляторы в системах охлажде-
ния тяговых электрических машин
и аппаратов применяются двух тип-
пов: центробежные и осевые. В кор-
пусе 3 центробежного вентилятора
тяговых электродвигателей (рис.
12.1) установлено вентиляторное ко-
лесо 2, состоящее из ступицы 5, кон-
сольно посаженной на вал 6, диска
7 и кольца 1, которым приклепаны
штампованные лопатки 4.
Вентиляторы такого типа на боль-
шинстве отечественных тепловозов
питают воздухом тяговые электро-
двигатели каждой тележки. Венти-
ляторы тепловоза ТЭЗ имеют одно-
сторонний подшипниковый узел, как
показано на рис. 12.1. Вентиляторы
тепловоза 2ТЭ10В задней стенкой ко-
жуха прифланцовываются непосред-
ственно к распределительным редук-
торам, вентиляторное колесо насажи-
вается на выходной вал редуктора.
В связи с этим в задней стенке
вместо подшипника устанавливается
сальниковое уплотнение, предотвра-
щающее попадание смазки из редук-
тора в кожух вентилятора.
Вентиляторы на тепловозах рабо-
тают в тяжелых условиях. Стремле-
ние ограничить их габариты требует
применения высоких скоростей вра-
щения вентиляторных колес (более
2000 об/мин). В то же время ввиду
консольного закрепления лопаток на
колесе на них сильно отражаются
как неравномерность вращения вала
дизеля, так и вибрации рамы тепло-
воза при движении. Поэтому привод
вентиляторов тяговых электродвига-
телей на тепловозах 2ТЭ10Л (В) осу-
ществляется не жестко, а через
гидромуфты (постоянного наполне-
ния), которые не пропускают высоко-
частотные колебания.
На тепловозах 2ТЭ10 и ТЭП60
центробежные вентиляторы приме-
няются и для охлаждения тяговых
генераторов. Некоторые вентиляторы
(тягового генератора тепловоза
М62) имеют лопатки переменной
ширины. Осевые вентиляторы, при-
меняемые для охлаждения генерато-
ров на тепловозах ТЭП10, похожи
по конструкции на вентиляторы хо-
лодильника. Вентиляторное колесо
с 16 лопастями наружным диаметром
500 мм отливается из алюминиевого
сплава.
Аналогичной, но более совершен-
ной конструкции осевые вентиляторы
применяются в централизованных
системах тепловозов ТЭП70, 2ТЭ121.
Эти вентиляторы располагаются в
вертикальных трубопроводах и име-
ют неподвижные направляющие ап-
параты.
Воздушные фильтры тяговых элек-
тродвигателей. Для очистки воздуха,
охлаждающего тяговые электродви-
гатели, на серийных грузовых тепло-
возах применяются простейшие сет-
чатые фильтры (рис. 12.2).
Фильтр представляет собой кассету 1
в виде рамки толщиной 22 мм, в которую
вложены три слоя проволочной сетки 2, 3, 4
Первый слой (со стороны входа воздуха)
представляет собой плоскую сетку № 7-1,2
В номере сетки первая цифра означает шаг
Рис. 12.1. Центробежный вентилятор системы
охлаждения тяговых электродвигателей
переплетения сетки в мм, вторая — диаметр
проволоки В качестве остальных двух слоев
используется более мелкая сетка, которая
гофрируется в складки высотой 8 мм и ша-
гом 15 мм Вторым слоем служит сетка
№ 5-0,7, у которой гребни гофров распо-
ложены под углом 30° к вертикали. Третий
слой — сетка № 4-0,6 t горизонтальными
гофрами Сетки в двух местах в середине
скреплены стяжными болтами 6
Кассета имеет четыре поворотные рукоят-
ки 5 для установки и закрепления кассеты
в корпусе Снаружи фильтр закрывается
штампованной предохранительной сеткой,
укрепляемой на кузове тепловоза также че-
тырьмя запорами
Аналогичные фильтры использу-
ются на тепловозах 2ТЭ10Л(В) и
в системе охлаждения тягового гене-
ратора. Следует отметить, что сетча-
тые фильтры такой конструкции об-
ладают очень невысокой эффектив-
ностью и не обеспечивают защиты
тяговых электродвигателей от заг-
рязнений.
Рис 12 2 Сетчатый воздушный фильтр си-
стемы охлаждения тяговых электродвигателей
337
Рис. 12.3. Воздушный фильтр главного генератора тепловоза ТЭЗ
Поэтому для современных тепло-
возов разрабатываются конструкции
более эффективных фильтров. На
тепловозах 2ТЭ116 применены сетча-
тые многослойные фильтры (их кон-
струкция отличается большим чис-
лом слоев сеток в кассете). На
тепловозах ТЭП70 применены фильт-
ры из пенополиуретана (поролона),
слой которого укрепляется в кас-
сете между двумя металлическими
сетками.
Рис. 12.4. Установка воздушного филь-
тра при смешанном заборе воздуха
Воздушные фильтры тяговых генераторов.
На тепловозах ТЭЗ с внутренним забором
охлаждающего воздуха применялись гофриро-
ванные воздушные фильтры, разработанные
в МИИТе (рис. 12.3). Фильтр представляет
собой кассету с двухслойной проволочной
сеткой № 1-0,35. Сетка глубоко гофриро-
вана. Кассета укрепляется на фланце вса-
сывающего патрубка генератора болтами.
Тепловозы ТЭЗ последних лет выпуска
были оборудованы смешанной системой забо-
ра воздуха для охлаждения главного гене-
ратора, которая допускает использование
как наружного, так и внутреннего воздуха
(рис. 12.4). В последнем случае воздух
проходит через воздушный фильтр 7 конструк-
ции МИИТа, изготовленный в виде вставной
кассеты. Фильтр установлен на лицевой
стенке кожуха 1 воздуховода. В воздуховоде
имеется заслонка 5, позволяющая перекры-
вать его при заборе воздуха из кузова
через фильтр, при работе с наружным за-
бором воздуха фильтр прикрыт откидной
крышкой 3. Заслонка поворачивается ру-
кояткой 6. Такая конструкция предусмат-
ривает забор воздуха из кузова тепловоза
в зимний период и забор воздуха снаружи
тепловоза через боковые каналы без спе-
циальной очистки в летний период. Зимой от-
крывают крышку 3, освободив винты 2.
Крышку закрепляют в верхнем положении
этими же винтами, ввертываемыми в бонки 4.
Внутреннюю заслонку закрывают, а оба рыча-
га — с рукояткой 6 и без нее — устанавли-
вают для этого в горизонтальное положе-
ние и закрепляют в нем специальными бол-
тами. При переходе на летний режим сле-
дует закрыть крышку 3 и закрепить ее бол-
тами. После этого открыть внутреннюю зас-
лонку, ее оба рычага при этом располагаются
вертикально и фиксируются в этом положении
болтами. Фильтры такой же конструкции при-
менены на тепловозах ТЭП10 и ТЭ109.
Централизованная система воз-
душного охлаждения электрических
338
6
.7
15
14
Рис. 12.5. Централизованная сис-
тема охлаждения тяговых элект-
рических машин тепловоза
ТЭП70
машин и аппаратов (тепловоз
ТЭП70). Осевой вентилятор 1 (рис.
12.5) засасывает воздух из атмосфе-
ры через блок 10 воздушных фильт-
ров и нагнетает его к потребите-
лям: главному генератору по кана-
лу 2, тяговым электродвигателям —
по каналам 3, 4, 7, 12, 13 и 16, выпря-
мительной установке 11. Кроме того,
воздух из системы направляется на
наддув высоковольтной камеры (ка-
нал 15), к калориферам кабины ма-
шиниста (по каналам 5) и на обогрев
лобовых стекол (по каналу 6).
Основные воздуховоды системы —
центральный 14 и боковые 9 — обра-
зованы непосредственно в сварной
конструкции рамы 8. Осевой вентиля-
тор установлен на раме тепловоза и
соединен с валом главного генера-
тора через упругую муфту и угловой
редуктор, встроенный в корпус вен-
тилятора.
12.2. ВОЗДУШНАЯ СИСТЕМА
УПРАВЛЕНИЯ
Назначение системы. Большая
часть аппаратов контроля и управ-
ления тепловоза работает по элек-
тропневматическому принципу. Уп-
равляющий сигнал поступает к
ним в виде электрического тока, а
исполнительное действие осущест-
вляется пневматическим приводом —
под действием сжатого воздуха. Ис-
точником сжатого воздуха для пита-
ния пневматических аппаратов на
тепловозе служит тормозной ком-
прессор. Давление воздуха в глав-
ном воздушном резервуаре тепловоза
автоматически поддерживается на
уровне 0,75—0,85 МПа. Воздух к
аппаратам поступает от тормозной
магистрали по трубопроводам воз-
душной системы управления.
Схема системы. Системы воздухо-
проводов управления отечественных
тепловозов в принципе одинаковы.
Для примера на рис. 12.6 приведе-
на схема основных воздухопроводов
управления тепловоза 2ТЭ10В. Воз-
дух в систему поступает от воздуш-
ной тормозной магистрали теплово-
за через фильтр 1.
Через клапан 7, поддерживающий
постоянное давление 0,55—0,60
МПа, которое контролируется по
манометру 23, воздух поступает к
наиболее ответственным аппаратам
339
13
Тормозная магистраль
Рис. 12.6. Схема воздушной системы управления тепловоза 2ТЭ10В
управления: к приводу реверсора
9, электропневматическим группо-
вым 8 и поездным И контакторам,
электропневматическому клапану
песочницы 10, электропневматичес-
ким вентилям 12 цилиндра вклю-
чения ряда топливных насосов дизе-
ля и 13 ускорителя пуска дизеля.
Ряд потребителей сжатого возду-
ха, не требующих точной регули-
ровки его давления, подключены не-
посредственно к магистралям, иду-
щим от главного воздушного резер-
вуара. Это, например, стеклоочисти-
тели 3 кабины машиниста и через
клапан 2 звуковые сигналы: тифоны
5 и свисток 6. От трубопровода 26
противопожарной системы воздух
поступает к электропневматически.м
вентилям 20, управляющим прохо-
дом воздуха к цилиндрам 16, 17, 18 и
19 привода жалюзи холодильника.
Непосредственно от магистрали — к
пневмоцилиндрам 14 привода возду-
хоочистителей дизеля. Система имеет
патрубки 22 и 24 для отбора воздуха
при обдуве холодильника, тягового
генератора и высоковольтных камер
и краны 4, 15, 21 и 25.
12.3. ПЕСОЧНАЯ СИСТЕМА
Назначение и основные узлы систе-
мы. Для увеличения сцепления ко-
лес локомотивов с рельсами на труд-
ных участках профиля, а также при
трогании поезда с места применяют
340
подачу сухого песка к точкам контак-
та колес с рельсами. Для этой цели
и служит на тепловозах песочная
система. Оиа состоит из бункеров
для хранения сухого песка и форсу-
нок для подачи песка под колеса,
соединенных между собой трубопро-
водами, а также устройств управле-
ния.
Схема системы. Подача песка в
системе и управление ее действием
осуществляются при помощи сжато-
го воздуха. В связи с этим система
(рис. 12.7) подключена кранами 5
к тормозной магистрали, а через кла-
пан 7 — к воздушной системе управ-
ления. Система подачи песка состоит
из бункеров для песка, воздухорас-
пределителей, форсунок и трубопро-
водов.
Песок хранится в четырех бунке-
рах 1, загрузочные горловины кото-
рых размещены с обеих сторон на
передней и задней стенках кузова
тепловоза. Общая емкость бункеров
одной секции тепловоза 2ТЭ10В —
910 кг песка. Из бункеров песок
самотеком стекает в форсунки 2,
из которых воздухом направляется
под колеса по резиновым рукавам 3.
Сжатый воздух поступает в фор-
сунки через воздухораспределите-
ли 4.
Воздухораспределитель (рис.
12.8, а) имеет корпус 4 и штуцеры
1, 2 и 6. Внутри корпуса 4 расположе-
ны поршень 3 и клапан 5, опираю-
щийся на пружину, установленную
Рис. 12.7. Схема песочной системы
на дне корпуса. Управляется возду-
хораспределитель воздухом, посту-
пающим в надпоршневую полость
прибора через штуцер 2 из системы
управления через электропневматн-
ческие клапаны 7 и 8 (см. рис. 12.7).
Электропневматический клапан (7
и 8) состоит из двух электропневма-
тических вентилей, обмотки которых
питаются током от электрической
системы управления тепловоза. При
замыкании ножной педали 6 песочни-
цы в кабине машиниста ток проходит
по обмотке катушки вентиля, его сер-
дечник втягивается, воздух, попадая
в воздухораспределитель, переме-
щает его поршень вниз и открывает
клапан 5, удерживаемый нормально
341
пружиной. При открытии клапана 5
воздух из тормозной системы посту-
пает через воздухораспределитель
в полость б (рис. 12.8, б) форсунки
и далее через канал в в полость 2, от-
куда небольшая часть потока возду-
ха по каналу а попадает в полость
А и взрыхляет песок. Смесь песка
с воздухом эжектируется основной
струей воздуха, проходящей из по-
лости 2 через сопло 2, и увлекается
из корпуса 1 форсунки в трубопро-
воды и далее подается под колеса.
Часть потока воздуха из полости б
для более эффективной работы фор-
сунки поступает обходным путем че-
рез канал сопла 3 и кольцевой зазор
вокруг сопла 2. Подача песка регу-
лируется винтом 4, который стопо-
рится гайкой 5. Пробка 6, вверну-
тая в корпус форсунки, служит для
прочистки (или замены) сопла 2
в случае ее засорения, крышка 7—
для очистки канала а и полости А.
Для подачи песка под первую ко-
лесную пару используется кнопка
КПП.
Трубы, подводящие песок к внут-
ренним колесным парам тележек
(к третьей и четвертой в секции),
имеют большую длину. Во избежа-
ние их забивания осаждающимся
песком к этим трубам сделаны по три
дополнительных подключения возду-
хопроводов, способствующих раз-
рыхлению и сдуванию остатков пес-
ка.
При размыкании ножной педали
6 (см. рис. 12.7) сердечник под
действием пружины поднимается, от-
крывая выход воздуху из надпорш-
невой камеры воздухораспредели-
теля через отверстие корпуса элек-
тропневматического клапана в атмо-
сферу, и форсунки прекращают по-
давать песок под колеса. Катушки
электропневматических клапанов 7
и 8 сблокированы с реверсором так,
что при переднем ходе тепловоза
работает один вентиль, а при зад-
нем — другой. Соответственно рабо-
тают и форсунки переднего и задне-
го хода.
12.4. ПРОТИВОПОЖАРНОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
Причины возникновения пожаров
на тепловозах связаны с возможны-
ми повреждениями дизеля или элек-
трического оборудования, а также с
неправильным их обслуживанием.
Дизель сам по себе представляет
объект повышенной опасности вви-
ду высоких температур его основ-
ных узлов и наличия в его системах
горючих материалов (топливо, мас-
ло) и возможности их утечек. Од-
нако причиной загорания может слу-
жить только какое-либо нарушение
его нормального технического сос-
тояния. Так, пробой газов в картер
(из-за прогорания днища поршня)
может привести к взрыву паров мас-
ла и выбросу его из картера в
дизельное помещение. Опасным в
пожарном отношении является попа-
дание масла при неисправностях
в системе смазки на неизолирован-
ные части выпускных коллекторов и
глушителей дизеля, имеющих высо-
кую температуру.
Попадание масла на детали элек-
трического оборудования тепловоза
также может привести к загоранию.
Кроме того, и сами электрические
приборы могут быть причиной пожа-
ра при их неправильном содержании
(искрение машин и аппаратов, за-
мыкание на корпус, переброс дуги,
замасливание проводов и контактов,
использование нетиповых предохра-
нителей или несоответствующих соп-
ротивлений и т. д.).
Особенностями развития пожаров
на тепловозах являются возможнос-
ти их скрытого и быстрого распро-
странения под полом дизельного по-
мещения при наличии там загряз-
нений и остатков обтирочных мате-
риалов. Повышенная опасность заго-
рания тепловоза на линии при движе-
нии с поездом требует обязатель-
ного его оснащения противопожар-
ными средствами.
Противопожарное оборудование
тепловозов обычно состоит из ста-
342
Таблица 12.1
Количество на секцию тепловоза
2ТЭ10В ТЭЗ ТЭП60 ТЭМ2 ТГМЗА 2ТЭ116
Установка для тушения пожа- ра (воздухопенная) Огнетушитель: 1 1 2 — — 1
пенный 1 — 2 1 1 1
углекислотный 2 3 4 2 2 4
Автоматическая система по- жарной сигнализации 1 1 1 — — 1
ционарной установки для тушения
пожара, переносных огнетушителей и
системы автоматической пожарной
сигнализации для быстрого обнару-
жения пожара.
Наличие противопожарного обо-
рудования на современных теплово-
зах указано в табл. 12.1.
Установка для тушения пожара,
применяемая на магистральных теп-
ловозах, по принципу действия яв-
ляется воздухопенной. Она состоит
(рис. 12.9) из резервуара 4 объемом
290 л, двух смесителей 3 со шлан-
гами и трубопроводов. В резервуар,
расположенный в задней части ди-
зельного помещения под крышей
(тепловоз 2ТЭ10В) или на полу
(ТЭЗ), заправляется 270 л воды
и 11,6 л пенообразователя ПО1
(4 % общего объема раствора).
Получаемый огнегасительный раст-
вор обладает кратностью выхода
пены 25—35, т. е. выход пены при
полном использовании раствора сос-
тавляет от 7000 до 10 000 л. Установ-
ка подключена через краны / к воз-
душной системе тепловоза. Открытие
любого из кранов приводит к включе-
нию в действие смесителей.
Воздух, проходя через кран / и
клапан максимального давления 5,
отрегулированный на давление
0,25—0,28 МПа, попадает в резер-
вуар 4 и выжимает раствор к сме-
сителям 3 через шланги 2.
Одновременно по другим трубопро-
водам через клапан максимального
давления 6, отрегулированный на
давление 0,15—0,16 МПа, сжатый
воздух поступает непосредственно к
смесителям, где при открытом кране
смесителя поток жидкости распыли-
вается воздухом в диффузоре с ин-
тенсивным образованием пены. На
раструбе диффузора смесителя уста-
новлено кольцо с мелкой сеткой,
усиливающей распыление и цено-
образование раствора. Цилиндричес-
кий наконечник смесителя облегча-
ет направление струи на объект по-
жара.
Длина струи пены из смесителя
достигает 4—5 м. Время работы
установки через один смеситель
10—12 мин, через два—вдвое меньше.
Установка может быть использо-
вана для тушения пожаров не только
на тепловозе, но и вблизи железно-
дорожного пути (насколько позволя-
ет длина шлангов и дальнобойность
струи).
Система автоматической пожар-
ной сигнализации на тепловозах сос-
Рис. 12.9. Схема противопожарной ус-
тановки
343
тоит из термодатчиков — тепловых
извещателей и средств сигнализации.
Датчиками служат терморезисторы,
обладающие свойством релейного
эффекта. Схема построена на сраба-
тывание датчиков при температуре
+ 90±10°С. Датчики размещены в
наиболее пожароопасных местах теп-
ловоза (18 шт. в дизельном помеще-
нии, 2 шт. в правой и 1 шт. в левой
высоковольтных камерах). Средст-
вом сигнализации служит сигналь-
ная коробка в кабине над столиком
помощника машиниста. Она имеет
четыре сигнальные лампы, указываю-
щие на место пожара (дизельное
помещение и высоковольтные каме-
ры первой и второй секций), и две
кнопки для проверки исправности
системы. Одновременно с загоранием
сигнальной лампы включается звуко-
вой сигнал, в качестве которого
используется зуммер боксования.
12.5. ПРИВОД ОСНОВНОГО
И ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Соединение вала дизеля с валом
тягового генератора на тепловозах
выполнено по-разному. Нижний ко-
ленчатый вал дизелей типа Д100
(на тепловозах ТЭЗ, 2ТЭ10В) соеди-
нен с валом якоря главного генера-
тора полужесткой пластинчатой муф-
той 24 (рис. 12.10), допускающей
некоторую несоосность валов. На на-
ружной цилиндрической поверхности
ведущего диска муфты нарезаны
зубья, с которыми может входить в
зацепление червяк валоповоротного
механизма, при помощи которого
осуществляют пробуксовку вала при
регулировке и ремонте дизеля. Такое
же соединение применено на тепло-
возах ТЭП60 (дизель 11Д45А) и
М62 (дизель 14Д40). Вал дизелей
типа Д50 (ПД1) соединен своим
фланцем с якорем генератора жест-
ко, на болтах.
Затраты мощности иа вспомога-
тельное оборудование. Поскольку
единственным источником энергии на
тепловозе является дизель, то все
344
циркуляционные агрегаты вспомога-
тельного оборудования (насосы,вен-
тиляторы и т. п.) получают энергию
от вала дизеля. Часть мощности ди-
зеля, затрачиваемую на привод вспо-
могательного оборудования (т. е. на
собственные нужды), иногда называ-
ют вспомогательной мощностью.
Основные потребители вспомога-
тельной мощности на тепловозах с
электрической передачей: вентилято-
ры холодильника, тормозной ком-
прессор, вентиляторы охлаждения
тяговых электрических машин и
двухмашинный агрегат. Доля вспо-
могательной мощности на современ-
ных тепловозах составляет И —12 %
номинальной мощности дизеля.
Типы приводов вспомогательного
оборудования. Вспомогательная
мощность может передаваться от
вала дизеля к агрегатам-потребите-
лям следующими способами: меха-
ническим (непосредственное соеди-
нение, клиноременная или зубчатая
передача); гидравлическим (гидро-
статический привод или гидродина-
мическая муфта), электрическим
(электродвигатели переменного или
постоянного тока с питанием либо
от тягового генератора, либо от
специального вспомогательного гене-
ратора, например стартер-генерато-
ра). Привод любого типа может
быть групповым или индивидуаль-
ным. Разные агрегаты вспомогатель-
ного оборудования предъявляют раз-
личные требования к приводу в за-
висимости от особенностей режимов
своей работы.
Привод вентилятора холодильника
должен быть регулируемым в зави-
симости от температур охлаждающих
жидкостей: привод компрессора —
если нерегулируемым, то, по крайней
мере, отключаемым, так как его рабо-
та нужна, лишь когда давление в
главных резервуарах ниже установ-
ленного (к сожалению, это условие
реализовано лишь на некоторых ма-
невровых тепловозах. На магис-
тральных же — компрессор не от-
ключается, а лишь переводится в ре-
жим холостого хода открытием кла-
21
9
Рис. 12.10. Схема привода вспомогательного оборудования иа тепловозе 2ТЭ10В
панов, что отражается на его изно-
се) . Привод двухмашинного агрегата
и вентиляторов тяговых электричес-
ких машин на всех отечественных
тепловозах неотключаемый и нерегу-
лируемый.
Кроме этих условий, к приводу
предъявляются требования нерас-
пространения ударных нагрузок и
крутильных колебаний и т. д. Основ-
ное распространение на отечествен-
ных тепловозах получил групповой
механический привод всех агрегатов
вспомогательного оборудования.
Имеется опыт применения гидроста-
тического привода для вентиляторов
холодильника на Тепловозах ТЭП60,
ТЭП70 и ТГ16; гидродинамический
нерегулируемый привод применен на
тепловозе 2ТЭ10В; на тепловозе
ТГМ.ЗА использован индивидуаль-
ный электрический привод постоян-
ного тока для вентилятора холодиль-
ника (типы приводов вентилятора
холодильника рассмотрены отдельно
в гл. 6). На тепловозе 2ТЭ116 приме-
нен индивидуальный электрический
привод переменного тока для всех
агрегатов вспомогательного оборудо-
вания.
Механический привод осуществля-
ется, как правило, при помощи сис-
темы валов и одного-двух распре-
делительных редукторов, причем в
конструкции последних все чаще, по-
мимо жестких зубчатых передач,
применяются и гидродинамические
аппараты.
Примером механического привода
с двумя распределительными редук-
торами может служить привод меха-
низмов тепловоза 2ТЭ10В (см. рис.
12.10). Передний редуктор 6 связан
с валом тягового генератора 8 двой-
ной пластинчатой муфтой 7 и служит
для распределения мощности на
двухмашинный агрегат 1 (через кар-
данные валы 4 и 2 с промежуточной
опорой 3), вентилятор 5 тяговых
электродвигателей передней тележки
(непосредственно) и вал компрессо-
ра 26 (через двойную пластинчатую
муфту 25). Общая мощность, пере-
даваемая на передний редуктор от
вала дизеля, составляет 96 кВт.
Задний редуктор 19 связан с ниж-
ним коленчатым валом дизеля 9 че-
рез пластинчатую муфту 20 и проме-
жуточный вал 10. Редуктор распре-
деляет мощность на вентилятор 11
тяговых электродвигателей задней
тележки (непосредственно), тахо-
метрический агрегат 12 (через кар-
данный вал 18, промежуточный ре-
дуктор 17 и вал с пружиной 13)
и гидропривод 15 вертикального
вала 14 вентилятора холодильника
(через карданный вал 16 от проме-
жуточного редуктора 17). Через зад-
ний редуктор также приводится на-
345
сос центробежного очистителя масла.
Общая мощность, передаваемая на
задний редуктор, составляет 155 кВт.
Вентилятор 23 охлаждения тягово-
го генератора имеет отдельный при-
вод от верхнего коленчатого вала
дизеля — через карданный вал 21 и
специальный редуктор 22.
Редукторы. Распределительные
редукторы тепловоза 2ТЭ10В — пе-
редний и задний — похожи по
устройству и имеют ряд однотипных
деталей (рис. 12.11). На ведущем
валу / переднего редуктора (рис.
12.11, а) насажена большая цилин-
дрическая шестерня 1 отбора мощ-
ности, которая через шестерню 2 вра-
щает нижний вал // привода двух-
машинного агрегата, а через шестер-
ню 3 — полый вал III насосного ко-
леса гидромуфты. Вал IV турбинно-
го колеса гидромуфты через кони-
ческую пару 4—5 вращает вал V ко-
леса вентилятора тяговых электро-
двигателей. Для привода компрессо-
ра служит непосредственно второй
фланец ведущего вала /. Редуктор
имеет лопастный насос 4, обеспе-
чивающий подачу смазки в узлы
редуктора.
Задний редуктор (рис. 12.11, а)
отличается лишь назначением валов
и их взаимным расположением.
Вал IV используется для привода
насоса центрифуги. Вал // служит
для отбора мощности на промежу-
точный редуктор (рис. 12.11,г),
ведущий вал I которого связан с
гидроприводом вентилятора холо-
дильника, а через шестерни 8—9
Рис. 12.11. Схемы редукторов привода вспомогательного оборудования тепло-
воза 2ТЭ10В
346
передает мощность на вал VII при-
вода тахометрического агрегата. Ре-
дуктор привода вентилятора тягово-
го генератора (рис. 12.11,6) пред-
ставляет собой пару конических шес-
терен 6—7. Вентиляторное колесо
непосредственно насаживается на
цапфу вала VI.
На тепловозе ТЭЗ применены не-
сколько более простые по конструк-
ции редукторы. Устройство его зад-
него распределительного редуктора
было рассмотрено выше (см. рис.
6.26, а). Передний редуктор пред-
ставляет собой одноступенчатую пе-
редачу с цилиндрическими шестер-
нями. В редукторе мощность рас-
пределяется на два ведомых вала.
Один из них соединен с двухмашин-
ным агрегатом, второй — с валом
вентилятора охлаждения тяговых
электродвигателей передней тележ-
ки. Тахометрический агрегат связан
с ведомым валом клиноременной
передачей.
Как видно из рис. 12.10 и 12.11,
механический привод, представляю-
щий собой длинную систему свя-
занных валов, довольно громоздок
и сложен. При механическом при-
воде трудно осуществить регулиро-
вание режимов работы вспомога-
тельных механизмов (даже ступен-
чатое, например сезонное, не говоря
уже о плавном).
Электрический привод переменно-
го тока применен на тепловозе
2ТЭ116. Основные потребители вспо-
могательной мощности — мотор-вен-
тиляторы холодильника 1—4 (рис.
12.12), мотор-вентиляторы тяговых
электродвигателей 5, 6 и мотор-вен-
тилятор 7 выпрямительной уста-
новки — получают питание непосред-
Рис. 12.12. Схема привода вспомогательного
оборудования на тепловозе 2ТЭ116
ственно от синхронного тягового ге-
нератора ТГ; мотор-компрессор 9
питается от стартер-генератора 8.
Последний, а также вентилятор И
тягового генератора и возбудитель
10 имеют механический привод. При-
вод всех агрегатов в этой системе
нерегулируемый, что является одним
из принципиальных недостатков
электропривода на переменном токе.
Регулирование температур охлаж-
дающих жидкостей здесь может осу-
ществляться лишь дискретно —
включением и выключением отдель-
ных вентиляторов. Другим не-
достатком данной системы является
то, что включения и отключения
этих мотор-вентиляторов, работаю-
щих параллельно тяговым электро-
двигателям силовой цепи, отражают-
ся на режимах их работы. Завод-
изготовитель поэтому разработал ва-
риант тепловоза 2ТЭ116 с гидроди-
намическим приводом вентиляторов
холодильника. Однако это не исклю-
чает возможности дальнейшего кон-
структивного совершенствования
электропривода, обладающего рядом
неоспоримых преимуществ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Общая характеристика тепловоз-
ного парка железных дорог СССР.
Тепловозы обеспечивают движение
поездов примерно на 95 тыс. км же-
лезных дорог (это 65 % железно-
дорожной сети страны) и выполняют
почти всю маневровую работу. Такое
положение будет сохраняться и в бу-
дущем, по крайней мере, до 2000 г.),
так как одновременно с электри-
фикацией части действующих линий
будет осуществляться строительство
новых линий, которые будут рабо-
тать на тепловозной тяге. Таким
образом, тепловозная тяга была, есть
и будет одним из основных видов
тяги на железных дорогах страны.
Основная часть грузовых перево-
зок выполняется сейчас двухсекцион-
ными тепловозами 2ТЭ10М, 2ТЭ10В
и 2ТЭ10Л мощностью 2200 кВт
(3000 л. с.) в секции. Их устройство
было подробно рассмотрено в данной
книге. В последние несколько лет
часть машин этого типа выпускается
в трехсекционном исполнении —
ЗТЭ10М, что позволяет существенно
повысить весовые нормы на обслу-
живаемых ими участках.
Для Байкало-Амурской магистра-
ли выпускаются четырехсекционные
тепловозы 4ТЭ10С в исполнении для
холодного климата.
Тепловозы типа ТЭ10 составляют
сейчас примерно половину грузового
локомотивного парка и останутся
основными в нем и в 1991 —1995 гг.
Около 30 % парка составляют еще
тепловозы ТЭЗ, также двухсекцион-
ные, но мощностью (в секции)
1470 кВт (2000 л.с.). Их доля в
парке в ближайшем будущем будет
существенно снижаться. В грузовом
движении в относительно меньших
количествах используются также
тепловозы 2ТЭ116, М62 и 2М62.
Все эти тепловозы — шестиосные,
осевая формула Зо —Зо.
Основные технические данные теп-
ловозов приведены в таблице.
Таблица
Характерно тика Тепловозы
грузовые пассажирские маневровые
2ТЭ10В 2ТЭ116 2ТЭ121 ТЭП60 ТЭП70 ТЭП75 ТЭМ2 ТЭМ7
Мощность 2200 2200 2950 2200 2950 4400 880 1470
секции, кВт (л. с.) (3000) (3000) (4000) (3000) (4000) (6000) (1200) (2000)
Служеб- ная масса, т Нагрузка от оси на рельсы, кН 138 138 150 126 129 138 120 180
230 230 250 210 215 230 200 225
Длитель- ная сила тя- ги, кН 250 253 300 125 170 180 202 350
Скорость длительного режима, км/ч 21,5 24,7 27 50 50 70 11,1 10,3
Тип дизе- ля 10Д100 1А-5Д49 2В-5Д49 11Д45А 2А-5Д49 1Д49 ПД1М 2-2Д49
Длина секции по осям сцепле- ния авто- сцепок, мм 16 970 18 150 22 000 19 250 21 700 21 700 16 970 21 500
348
Пассажирские перевозки на же-
лезных дорогах с тепловозной тягой
выполняются тепловозами ТЭП60 и
2ТЭП60, в последнее время и но-
выми, более мощными тепловозами
ТЭП70, серийное производство кото-
рых начато в текущей пятилетке.
Пассажирские тепловозы также
имеют осевую формулу Зо —Зо.
Основным типом маневрового ло-
комотива является тепловоз ТЭМ.2.
Для тяжелых горочных и маневрово-
вывозных работ используются теп-
ловозы ТЭМ7, первые в нашей стра-
не имеющие восьмиосный экипаж.
Новые тепловозы. Необходимость
повышения массы грузовых поездов
до 6000—8000 т для возможности
освоения планируемых на предстоя-
щие годы грузооборотов требует при-
менения более мощных тепловозов.
Луганским тепловозостроитель-
ным заводом созданы опытные
образцы нового тепловоза 2ТЭ121
мощностью 2X2940 кВт (2Х
Х4000 л.с.) с длительной силой
тяги 2X295 кН. Это тепловоз ново-
го поколения. Его технический уро-
вень по проекту существенно выше
ныне эксплуатируемых. Тепловоз
2ТЭ121 характерен, так же как и
2ТЭ116, применением четырехтакт-
ного дизеля типа Д49 и электри-
ческой передачи переменно-постоян-
ного тока. Но в то же время он имеет
важные отличия от последнего:
более высокая (245 кН) нагрузка
от оси на рельс;
больший (1250 мм) диаметр колес;
опорно-рамное подвешивание тяго-
вых электродвигателей;
электрическое торможение;
централизованное воздушное ох-
лаждение тяговых электрических
машин и аппаратов;
комплексные устройства автомати-
ки, управления и контроля.
Предстоит создать еще более мощ-
ные тепловозы. Уже построены опыт-
ные тепловозы мощностью 4400 кВт
(6000 л.с.) в секции: пассажирский
шестиосный ТЭП75 и грузовой вось-
миосный ТЭ136 на базе дизеля типа
Д49. Испытания этих тепловозов
позволили уточнить направления
дальнейшего развития перспективно-
го тепловозостроения. В 1989 г. на
выставке был показан первый обра-
зец грузового тепловоза 2ТЭ126
мощностью 4400 кВт (6000 л.с.) в
секции с новым типом четырехтакт-
ного дизеля 16ЧН32Х32. В 1990 г.
построен пассажирский восьмиосный
тепловоз ТЭП80 такой же мощности.
Новые локомотивы отличаются
высокой степенью автоматизации,
широким применением бесконтакт-
ной электронной аппаратуры, систем
и методов технической диагностики,
в том числе и на базе микро-
процессорной техники. Задача работ-
ников локомотивного хозяйства —
быть готовыми к освоению эксплу-
атации и обслуживания этих новых
и сложных машин.
* *
*
Теоретические основы работы, об-
щие принципы устройства теплово-
зов, назначение и особенности их
оборудования, рассмотренные в дан-
ной книге, облегчат изучение кон-
кретных конструкций тепловозов
с помощью обширной технической
литературы, перечень которой приве-
ден ниже. Эти материалы использо-
вались в настоящей книге. Однако,
естественно, что учебник не может
дать полного и законченного опи-
сания хотя бы одной, даже наиболее’
распространенной серии тепловоза—
ведь любая из книг по конкретному
тепловозу из упомянутого перечня
имеет примерно такой же объем, как
и данный учебник. Поэтому чтение
учебника — это только начало даль-
нейшей работы будущих специалис-
тов по углублению специальных зна-
ний, подробному изучению конкрет-
ных серий тепловозов, эксплуати-
руемых там, где они будут работать,
а также ознакомлению с новыми
опытными локомотивами и перспек-
тивами тепловозостроения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
Володин А. И. Локомотивные двига-
тели внутреннего сгорания.—2-е изд., перераб.
и доп.—М.: Транспорт, 1990. 256 с.
Ерохин В. Г., М а ха нь ко М. Г. Сбор-
ник задач по основам гидравлики и тепло-
техники. 2-е изд. М.: Энергия, 1979. 240 с.
Коломийченко В. В., Беспалов
В. Г., С е м и н Н. А. Автосцепное устройство
подвижного состава. М.: Транспорт, 1980.
187 с.
Тепловозы: Конструкция, теория и рас-
чет/И. П. Бородулин, Е. Д. Бренер, Е. С. Гре-
чищев и др. Под ред. д-ра техн, наук Н. И. Па-
нова. М.: Машиностроение, 1976. 544 с.
Дополнительная
Вилькевич Б. И. Электрические схемы
тепловозов ЗТЭ10М, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М,
2ТЭ10Л, ТЭП60. 3-е изд., перераб. и доп.
М.: Транспорт, 1983. 221 с.
Драчев Г. Г. Аккумуляторы подвиж-
ного состава. М.: Транспорт, 1970. 160 с.
Маневровые тепловозы/Г. И. Белобаев,
В. Н. Бурьяница, М. К. Гавриленко и др.
Под ред. Назарова Л. С. М.: Транспорт,
1977. 408 с.
Пассажирский тепловоз ТЭП60/Г. А. Жи-
лин, М. С. Малинов, А. М. Родов и др.
3-е изд. перераб. и доп. М.: Транспорт,
1976. 376 с.
Пассажирский тепловоз ТЭП70/Ю. В.
Хлебников, Г. Е. Серделевич, Б. Н. Морош-
кин. М.: Транспорт, 1976. 232 с.
Пойда А. А., Хуторяиский Н. М.,
Кононов В. Е. Механическое оборудова-
ние тепловозов: Устройство и ремонт. М.:
Транспорт, 1986. 328 с.
Тепловоз ТЭЗ/К. А. Шишкин, А. Н. Гу-
ревич, А. Д. Степанов и др. 6-е изд. М.:
Транспорт, 1976. 284 с.
Тепловоз 2ТЭ,0Л/В. Р. Степанов, В. А.
Береза, В. Е. Верхогляд и др. 2-е изд.,
перераб. и доп. М.: Транспорт, 1974. 320 с.
Тепловоз 2ТЭ10В: Руководство по экс-
плуатации и обслуживанию. М.: Транспорт,
1975. 432 с.
Тепловоз М62/С. П. Филонов, А. Е. Зиба-
ров и др. М.: Транспорт, 1977. 280 с.
Тепловоз 2ТЭ116/С. П. Филонов, А. И.
Гибалов и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.:
Транспорт, 1985. 327 с.
Тепловоз ТЭМ2/Руководство по эксплуата-
ции и обслуживанию/П. М. Аронов, 2-е
изд., исправл. и доп. М.: Транспорт, 1983.
239 с.
Тепловозы СССР. Каталог/ЦНИИТЭИ-
тяжмаш. М.: 1988. 210 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
От авторов............................ 3
Введение ......................... 4
Глава 1. Общие сведения о теплово-
зах .................................. 7
1.1. Принцип действия и устройство
тепловоза ....................... 7
1.2. Классификация и характеристики
тепловозов...................... 11
Глава 2. Основы гидравлики 14
2.1. Гидростатика.................... 14
2.2. Гидродинамика .................. 18
2.3. Движение жидкости по трубам 23
2.4. Насосы и вентиляторы .... 25
Глава 3. Основы технической тер-
модинамики и теории теп-
лопередачи .......................... 37
3.1. Техническая термодинамика . . 37
3.2. Идеальные циклы тепловых дви-
гателей 51
3.3. Теория теплообмена........ 55
3.4. Теплопередача и теплообменники 60
Глава 4. Общие сведения о двига-
телях внутреннего сгора-
ния ................................. 63
4.1. Принципы устройства и работы
двигателей внутреннего сгорания
и классификация двигателей . . 63
4.2. Рабочие процессы дизелей ... 66
4.3. Рабочие циклы дизелей .... 71
4.4. Мощность н экономичность дизеля 73
4.5. Тепловой баланс дизеля ... 75
4.6. Характеристики дизелей ... 76
Глава 5. Тепловозные дизели . . 79
5.1. Технические требования, основ-
ные характеристики и мощностные
ряды дизелей.................... 79
5.2. Остов дизеля.................... 87
5.3. Шатунно-кривошипный механизм 95
5.4. Газораспределительный механизм
и крышки цилиндров............. 108
5.5. Топливная аппаратура .... 112
5.6. Регулирующая аппаратура дизеля 117
5.7. Внутренние системы охлаждения
и смазки....................... 128
Глава 6. Вспомогательное оборудо-
вание дизеля . . 131
6.1. Топливная система............... 131
6.2. Масляная система................ 139
6.3. Водяная система................. 150
6.4. Системы воздухоснабжения дизе-
ля и выпуска отработавших газов 154
6.5. Охлаждающие устройства для во-
ды, масла и наддувочного воздуха 162
Глава 7. Тепловозные передачи 178
7.1. Необходимость тяговой передачи
и ее назначение................. 178
7.2. Типы тяговых передач .... 181
7.3. Гидравлические передачи . . . 182
7.4. Электрические передачи ... 191
Глава 8. Электрические машины и
аккумуляторные батареи 204
8.1. Общие сведения...................204
8.2. Тяговые генераторы...............206
8.3. Тяговые электродвигатели . . 215
8.4. Возбудители и вспомогательные
генераторы ..........................224
8.5. Вспомогательные электродвигате-
ли ..................................231
8.6. Аккумуляторные батареи . 234
8.7. Требования безопасности при об-
служивании электрических машин
и аккумуляторных батарей . . 240
Глава 9. Электрическая аппаратура 241
9.1. Назначение, классификация и об-
щие требования ......................241
9.2. Основные элементы контактных ап-
паратов .............................242
9.3. Коммутационные аппараты . . 247
9.4. Аппараты автоматического управ-
ления ...............................252
9.5. Аппараты защиты..............258
9.6. Бесконтактные аппараты . . . 261
Глава 10. Электрические схемы . . 269
10.1. Общие сведения..............269
10.2. Схема электрических цепей тепло-
воза типа ТЭ10....................271
10.3. Схема электрических цепей тепло-
воза 2ТЭ116 .........................277
351
Глава 11. Экипаж тепловоза . . 285
11.1. Общие сведения об экипаже . . 285
11.2. Колесные пары.................286
11.3. Передача вращающего момента к
колесным парам................292
11.4. Буксы и подшипники .... 300
11.5. Тележки..................306
11.6. Рессорное подвешивание . . . 314
11.7. Кузов и главная рама . . . 320
11.8. Использование сцепного веса теп-
ловоза .............................328
11.9. Динамика тепловоза.......330
Глава 12. Вспомогательное оборудо-
вание тепловоза . . . 335
12.1. Система воздушного охлаждения
тяговых электрических машин . 335
12.2. Воздушная система управления 339
12.3. Песочная система...............340
12.4. Противопожарное оборудование 342
12.5. Привод основного и вспомогатель-
ного оборудования .................. 344
Заключение ..........................348
Список литературы....................350
Учебник
Кузьмич Вадим Дмитриевич, Бородулин Иосиф Пейсахович,
Пахомов Эрик Александрович и др.
ТЕПЛОВОЗЫ. Основы теории и конструкция
Технический редактор М. И. Ройтман
Корректор В. А. Луценко
ИБ № 4587
Сдано в набор 05.07.90. Подписано в печать 19.04.91.
Формат 70Х lOO’/ie- Бум. офс. № 2. Гарнитура литературная. Офсетная печать.
Усл. печ. л. 28,6. Усл. кр.-отт. 28,6. Уч.-изд. л. 30,44. Тираж 15 000 экз. Заказ 443. Цена 3 р. 60 к.
Изд. № 1-1-2/4 № 5640
Ордена «Знак Почета» издательство «ТРАНСПОРТ», 103064, Москва, Басманный туп., 6а
Московская типография № 4 при Госкомпечати СССР. 129041, г. Москва, Б. Переяславская, 46.