Необхідність тягової передачі і її призначення
Особливості роботи локомотива.
Профіль колії залізничних ліній складається з різних по крутизні і довжині елементів: підйомів, майданчиків, спусків. За всіма цими елементами на конкретній ділянці шляху локомотив веде один і той же склад. Тому під час руху поїзда від локомотива потрібні різні значення рушійною сили-сили тяги - на різних елементах профілю колії. Але необхідні значення сили залежать не тільки від крутизни профілю при сталому русі, вони пов'язані і з характером самого руху. Тепловоз повинен бути здатний виконувати всі стадії руху поїзда: трога ня поїзда з місця на станції, розгін його і підтримку руху зі швидкістю, встановленої графіком.
При русі поїзда локомотив робить певну механічну роботу (робота -це твір сили на шлях, пройдений в її напрямку). На виконання роботи повинна бути витрачена енергія. Її «джерелом» на тепловозі є дизель, що перетворює внутрішню хімічну енергію палива в механічну роботу обертання колінчастого вала з навантаженням, приєднаної до нього.
Тягова характеристика. На провідних осях тепловоза за рахунок роботи на валу дизеля розвивається сумарний крутний момент Мк, який передається на колеся-
де 1'к - рушійна сила, яка є сумою сил, що виникають в опорних точках контакту ведучих коліс з рейками в результаті тертя (зчеплення)
між ними, звана силою тяги; Ок - діаметр коліс.
Сила тяги тепловоза залежить від багатьох факторів. Залежність сили тяги Рк від швидкості руху локомотива V, зображена графічно, називається тягової характеристикою локомотива. Найменші значення швидкості руху вантажних тепловозів з поїздом на найважчому профілі (розрахунковому підйомі) приймаються зазвичай в межах 20- 25 км / год. Так як максимальна швидкість руху вантажних тепловозів не перевищує 100 км / год, то тепловоз повинен працювати в діапазоні чотирьох-, п'ятикратного зміни швидкості.
Тягові й економічні властивості дизеля. Дизель як двигун відрізняється цілим рядом характерних особливостей, які відображаються на можливостях його застосування для тягової служби в якості джерела енергії на тепловозі.
Потужність дизеля перші при постійній подачі палива (за цикл) змінюється майже пропорційно частоті обертання колінчастого вала (рис. 7.1), Найбільша (номінальна) потужність Л ^ ном обмежується граничними значеннями подачі палива і частоти обертання валу я "ом.
Момент, що обертає на валу двигуна М при постійній подачі палива майже не залежить від частоти обертання валу (див. Рис. 7.1) і може вважатися постійним.
Дизель може працювати тільки в певному діапазоні частот обертання колінчастого вала - від ПТШ до Пном, причому лт1п (частота холостого ходу) обмежується умовами надійного самозаймання палива і становить від 25 до 40%
^ Ном-дизель звичайного виконання не піддаються реверсування, т. Е. Не допускають зміни напрямку обертання валу (без істотного ускладнення конструкції).
Дизелі практично не допускають (навіть короткочасних) перевантажень по обертального моменту.
Для пуску дизеля необхідний додатковий (сторонній) джерело енергії.
У робочому діапазоні частот обертання колінчастого вала (ПТТ. RtH0M) і навантажень дизель працює неоднаково економічно. Найменшу питому витрату палива (див. Гл. 4) зазвичай відповідає навантажень і частотам обертання, близьким до номінальних.
Як видно з перерахування, дизель як двигун недостатньо відповідає вимогам транспортної служби, де потрібно змінювати значення крутного моменту (сили тяги) і розвивати незмінну потужність при змінах швидкості руху.
Ідеальна тягова характеристика тепловоза. З розгляду тягових властивостей дизеля випливає, що для отримання від нього, а отже, і від тепловоза найбільшою можливою потужності дизель повинен працювати з максимальною частотою обертання колінчастого вала.
Для того щоб постійна (найбільша) потужність дизеля використовувалася повністю у всьому робочому діапазоні руху тепловоза, тягова характеристика тепловоза повинна мати вигляд гіперболічної кривої (якщо Л / к = const, то FKy = const, а це і є рівняння гіперболи в координатах FK, і ). Характеристика такої форми (рис. 7.2) називається ідеальною тягової характеристикою тепловоза. Гіперболічна тягова характеристика має обмеження за максимальним значенням сили тяги f кп) ах (за умовами зчеплення коліс з рейками без прослизання) і за максимальною ШВИДКОСТІ Уконстр (ПО МІЦНОСТІ ходових частин і впливу на колію). Повна потужність дизеля теп-
Ідеальна тягова характеристика забезпечує необхідне збільшення сили тяги при рушанні з місця і розгоні поїзда, повне використання потужності дизеля при русі на різних елементах профілю (спусках, підйомах, майданчиках) з поїздами різної ваги.
Тягові властивості тепловоза безпосередньої дії. Енергія і момент дизеля повинні бути передані рушійним осях тепловоза. Найпростіше це можна здійснити безпосередньо. Для цього достатньо з'єднати кинематически вал дизеля і осі колісних пар (через зубчасті колеса і карданні вали). Саме так уявляв собі тепловоз сам винахідник теплового Рис. 7.2. Ідеальна тягова характеристика двигуна Р. Дизель. Він в 1906- 1912 рр. разом з іншими фахівцями побудував в Німеччині тепловоз такого типу (з безпосереднім зв'язком вала дизеля з колесами). Однак така проста конструкція (тепловоз безпосередньої дії) виявляється повністю непрацездатною за цілою низкою причин. Сила тяги такого тепловоза була б майже незмінною (при постійній подачі палива) незалежно від швидкості руху (рис. 7.3), так як при цьому умови крутний момент на валу дизеля майже не залежить від частоти обертання його вала.
У той же час потужність Л / к тепловоза з безпосередньою передачею при постійній силі тяги Fк прямо пропорційна швидкості його руху V, так як Л / к = 1гкУ.
Таким чином, номінальна потужність дизеля може бути використана тільки при русі з максимальною швидкістю, т. Е. На найлегших ділянках профілю і при поїздах малої ваги. У всіх інших випадках руху з меншими швидкостями - на важких елементах профілю, з поїздами великої ваги - потужність дизеля не може бути використана повністю (див. Рис. 7.3).
Тепловоз безпосередньої дії не забезпечував би зрушення поїзда з місця і його розгін, так як дизель не сприймає навантажень при малих частотах обертання колінчастого вала (менше ПТТ). Таким обра-
Є два шляхи пристосування дизеля до тягової службі. Перший - це створення спеціального транспортного дизельного двигуна, робочий процес якого був би близький до процесу парової машини паровоза, що працює при безпосередньому зв'язку з колесами. Цим шляхом намагався піти видатний український фахівець-теплотехнік професор В. І. Гриневецький. У 1906-1908 рр. він спроектував, побудував і випробував такий двигун. Двигун виявився досить складним: кожен його робочий циліндр складався з трьох паралельно розташованих циліндрів.
Тому вітчизняне і світове тепловозобудування з самого початку розвитку пішло по іншому шляху-застосуванню на тепловозах тягової передачі.
Передача і вимоги до неї. Щоб пристосувати дизель до тягової службі, на тепловозах між валом дизеля і провідними осями передбачають спеціальне проміжне пристрій (або систему), зване тягової передачею тепловоза.
У передачі механічна робота обертання колінчастого вала дизеля (вона характеризується постійністю потужності, крутного моменту і частоти обертання) перетвориться в механічну роботу обертання ведучих коліс тепловоза, яка характеризується змінними обертає і частотою обертання осей колісних пар (при сталості потужності).
Передача повинна забезпечити: можливості зміни сили тяги і швидкості тепловоза в широких межах при роботі дизеля з постійною частотою обертання валу; використання повної потужності дизеля в широкому діапазоні швидкостей руху, т. е.
наближення тягової характеристики до ідеальної; можливість реверсування тепловоза.
Як і всякий робочий механізм, що перетворює енергію, передача повинна мати досить високий к. П. Д. На всіх режимах тепловоза. Крім того, передача повинна мати по можливості малі габарити, вага і вартість, бути надійною в експлуатації.
Обслуговування та ремонт передачі також повинні бути по можливості більш простими.
Використання тягової передачі і робить тепловоз локомотивом, дає можливість йому рухатися в різних режимах, здійснювати транспортну перевозочную роботу. Рішення проблеми тягової передачі дозволило вітчизняним фахівцям під керівництвом професорів Ю. В. Ломоносова і Я. М. Гак-Келя створити в 1924 р перші в світі працездатні і досить потужні магістральні тепловози з електричною передачею.