Сила тяги и тяговые характеристики локомотивов — тяговые свойства тепловозного дизеля

Разработка алгоритма расчета тепловозных ДВС по заданным мощностным показателям и топливной экономичности

В общем случае коленчатому валу тепловозных ДВС может передаваться механическая энергия, образующаяся в результате протекания рабочего процесса в их цилиндрах, и избыточная механическая энергия от турбокомпрессора. Тогда суммарный эффективный КПД. где: Рекв — мощность, передаваемая коленчатому валу от турбокомпрессора; РЄЕ — суммарная мощность цилиндров ДВС. Рассмотрим возможности увеличения эффективного КПД двигателя Het путем совершенствования характеристик рабочего процесса. При отсутствии ограничений на величину максимального давления сгорания, организации процесса сгорания при V=const и адиабатном протекании рабочего цикла тормозной термический КПД (эффективный КПД). Обеспечение адиабатного протекания рабочего процесса при отсутствии ограничений на величину максимального давления связано с разработкой новых материалов для ДВС и новых конструктивных решений. В том числе по способу передачи механической энергии от поршня к коленчатому валу. Для увеличения скорости сгорания топлива необходимо разработать способы соответствующей интенсификации процесса сгорания. В современных высокоэкономичных ДВС потери теплоты в стенки ЦПГ составляют xw=0,06-0,1. Тогда при организации процесса сгорания по характеристике V=const, составит 0,97-0,984, a net=0,595-0,603. Однако реальная продолжительность процесса сгорания ф2 50ПКВ. В зависимости от продолжительности процесса сгорания изменяется величина ТІОТН.Д. Для интервала фг=(10-40)ПКВ Лотн.д=0,975-ь0,90, Лсг=0,984ч-0,967, гв=0,93н-0,91. Het=0,588-0,522 (8Т=0,05).

С уменьшением относительных потерь теплоты в стенки ЦПГ и применением в двухтактных ДВС прямоточно-клапанной системы продувки увеличилась энергия выпускных газов. Появилась возможность, избыток мощности в турбине отводить к коленчатому валу дизеля. Получаемая таким образом дополнительная мощность составляет «0,03-0,05 от мощности ДВС. Прямо пропорционально увеличится и тормозной термический КПД. Проведем анализ влияния уменьшения потерь теплоты в стенки ЦПГ и увеличения эффективности преобразования тепловой энергии в механическую в цилиндре ДВС на относительную мощность турбины и величину суммарного тормозного термического КПД. При уменьшении относительной потери теплоты в стенки ЦПГ на величину Axw увеличивается индикаторный КПД двигателя и энергия выпускных газов. То есть где: AxWe — дополнительное относительное количество теплоты, преобразуемое в работу в цилиндрах ДВС; Axwrr — дополнительное относительное количество теплоты, срабатываемое в турбине. При условии, что вся дополнительная мощность от срабатывания Axwrr в турбине передается коленчатому валу, увеличение эффективного КПД дизеля где: ret — эффективный КПД турбины; % — термический КПД рабочего цикла, протекающего в турбине. Так как влияние Axwe учитывается через цСа, то в расчетах будем оценивать изменение величины тормозного термического КПД только в результате подвода к коленчатому валу ДВС избыточной мощности. Для принятых выше данных, Tiet=0,85, тн=0,4 снижение относительных потерь теплоты в стенки ЦПГ с х«=0,06ч-0,08 до xw=0,035- 0,Об приведет к увеличению эффективного КПД ДВС на Anetw=0,5-r0,6%. С увеличением эффективности преобразования в цилиндрах ДВС тепловой энергии в механическую уменьшается относительная мощность турбины и, следовательно, избыточная мощность, передаваемая на коленчатый вал ДВС. Из уравнения теплового баланса следует, что увеличение тормозного термического КПД ДВС Anet (при прочих равных условиях) равно снижению относительного количества теплоты, содержащейся в выпускных газах AqB.e Выражение (83) позволяет учесть влияние собственных потерь в агрегатах тепловоза и тяговой передаче на расход топлива в эксплуатации. Имелось в виду то, что качественные показатели тепловоза зависят не только от эффективности дизеля, но и от КПД тяговой передачи и затрат энергии на собственные нужды. /62, 69/ Чем выше КПД передачи и меньше затраты энергии в агрегатах, тем выше эффективность тепловоза. Переход от оценки дизеля к оценке тепловоза в целом абсолютно верен, однако нужно учесть и другие влияющие факторы: массу тепловоза и сопротивление движению. С учетом этих факторов критерий оценки имеет следующий вид:

Общий принцип работы и конструкция

Схема компоновки советского экспортного тепловоза ТЭ109 с электрической передачей переменно-постоянного токана схеме помечены:

Зависимость силы тяги от скорости движения является основной характеристикой тепловоза и называется тяговой характеристикой. Для случая максимального использования мощности локомотива график такой характеристики представляет собой гиперболу, в каждой точке которой произведение силы тяги на скорость локомотива равно его максимальной мощности.При движении механическая энергия на валу дизеля, как правило, сначала преобразуется в электрическую (тепловоз с электропередачей) или энергию другого вида, а затем уже в механическую, которая и вращает колёса. Цель такой передачи — обеспечить близкий к оптимальному режим работы дизеля в разных точках графика тяговой характеристики локомотива.

Характеристика тяговых электродвигателей

Характеристики ТЭД делятся на электромеханические (зависимости частоты вращения якоря, момента и кпд от силы тока нагрузки), тепловые и аэродинамические. Электромеханические характеристики тепловозных ТЭД снимаются при законе регулирования Uд*Iд=сопst и коэффициентах ослабления возбуждения β = Iв/Iд (Iв,Iд — соответственно ток обмотки возбуждения и ток обмотки якоря электродвигателя), предусмотренных электрической передачей тепловоза. Электромеханические характеристики ТЭД при соответствующих значениях β определяют тяговую характеристику тепловоза (рис. 5.55).

Основные показатели надежности тяговых электрических машин — вероятность безотказной работы,наработка на отказ, ресурс.

Магистральные тепловозы: описание

Локомотивы этой группы могут быть:

• пассажирскими;
• грузопассажирскими;
• грузовыми.

При конструировании пассажирских магистральных тепловозов основной акцент делается на скорости, грузовых — на тяговой характеристике. От маневровых такие тепловозы отличаются прежде всего меньшей маневренностью.

Существует множество серий таких тепловозов. Из пассажирских в первую очередь можно выделить ТЭП10, ТЭП60 и ТЭП70. Наиболее востребованными грузовыми магистральными локомотивами являются ТЭЗ, 3ТЭ10М, 2ТЭ116, 2М62, 2ТЭ10Л. Стоящая перед названием серии цифра указывает на количество секций тепловоза. Если ее нет — значит модель состоит из одной секции.

По номеру серии магистральных тепловозов можно определить и то, на каком предприятии она была изготовлено. Так, цифрами от 1 до 49 отмечаются модели Харьковского завода, 50-99 — Коломенского, от 100 — Луганского.

Магистральные и маневровые тепловозы, используемые сегодня РЖД, отличаются неплохой производительностью и надежностью. Однако многие эксперты сходятся во мнении, что парк РЖД все же требует скорейшей модификации. В особенности это касается устаревшей передачи на постоянном токе.

Как устроен и работает четырехтактный движок

Работа 4 тактного двигателя позволяет вращать коленчатый вал, который через кривошипно-шатунный механизм передает движение на колесный привод транспортного средства. Простейшая одноцилиндровая конструкция состоит из:

• металлического корпуса, состоящего из крышки и блока цилиндров;
• цилиндра, внутри которого вверх и вниз перемещается поршень;
• впускного и выпускного клапанов, подающих в камеру сгорания топливную смесь и отводящих отработанные газы;
• поршня, который сжимает топливную смесь, провоцируя воспламенение, а также проворачивает маховик коленчатого вала и, соответственно, колеса транспортного средства;
• свечи зажигания, подающей в цилиндр искру, поджигающую горючую смесь (на бензиновых моделях);
• системы подачи масла внутрь силового агрегата для смазки и охлаждения движущихся частей;
• контура жидкостного охлаждения, отводящего излишнее от мотора излишнее тепло.

Одноцилиндровый четырехтактный ДВС в разрезе.

Как работает четырехтактный двигатель:

1. Впуск (от 0 до 180о проворота кривошипа): поршень опускается до нижней мертвой точки (НМТ), одновременно с этим открывается впускное отверстие и в движок поступает смесь топлива и кислорода.
2. Сжатие (от 180 до 360о): поршень поднимается до верхней мертвой точки (ВМТ), сжимая находящуюся внутри топливную смесь.
3. Рабочий ход (от 360 до 540о): топливо внутри цилиндра воспламеняется от свечи зажигания (либо от температуры — на дизелях) и поршень силой получившегося взрыва снова отбрасывается вниз. Третий такт называется рабочим, потому что именно в нем поршень совершает полезную работу, передавая коленвалу, и далее — на колесный привод крутящий момент (остальные такты ДВС происходят, наоборот, за счет движения кривошипно-шатунного механизма, поэтому фактический КПД движка такого типа составляет около 40%).
4. Выпуск (от 540 до 720о проворота кривошипа): в это время открывается выпускное отверстие, и поршень снова поднимается до ВМТ, выталкивая отработанные газы в выхлопную систему.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя.

В чем особенность дизельных силовых агрегатов

Все ДВС можно поделить на две группы по принципу смесеобразования:

1. Бензиновые (карбюраторные или инжекторные) и газовые — в которых топливо смешивается с воздухом до попадания в цилиндр.
2. Дизельные — топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя на дизельных силовых агрегатах немного отличен от бензиновых. В камерах сгорания находится кислород, который нагрет до температуры, достаточной для воспламенения топлива. Перед тем, как поршень дойдет до верхней мертвой точки, в цилиндр впрыскивается жидкое дизтопливо, которое форсунки распыляют до мелких капель для более быстрой реакции с нагретым воздухом.

4 такта двигателя внутреннего сгорания на дизеле.

Многоцилиндровые модели

Чем больше цилиндров имеет четырехтактный двигатель, тем больше суммарный объем камер сгорания, поэтому силовые агрегаты на автомобилях оснащают несколькими цилиндрами. Чаще всего это число бывает четным, для обеспечения баланса установки, но встречаются и трехцилиндровые модели.

Классификация многоцилиндровых автомобильных моторов:

• Рядный — на одном коленчатом вале параллельно друг другу;
• V-образный — два ряда цилиндров на коленвале, расположенные под углом;
• VR-образный — аналогичен предыдущему, но имеет меньший угол развала (около 15о).

Рядный ДВС в разрезе.

Чтобы многоцилиндровый движок работал равномерно, такты различных цилиндров должны чередоваться в определенной последовательности и через равные промежутки времени. Примерный порядок работы четырехцилиндрового ДВС:

Порядок работы цилиндров на ВАЗ-2109.

От чего зависит мощность четырехтактного мотора

Основные параметры, оказывающие влияние на мощность силового агрегата, это:

• суммарный объем цилиндров;
• частота вращения коленчатого вала;
• пропускная способность впускных и выпускных отверстий;
• уровень сжатия топливной смеси.

Схема работы наддува турбированного мотора.

Маневровые тепловозы ТГМ4а

Техническое описание

• Назначение
• Основные характеристики тепловоза
• Устройство тепловоза
• Диаграмма равновесных скоростей
• Силовая установка
• Дизель
• Гидропередача
• Муфта привода гидравлической передачи
• Системы дизеля
• Топливная система
• Водяная система
• Масляная система
• Воздушный фильтр дизеля
• Оборудование систем дизеля
• Клапаны
• Топливоподкачивающий агрегат
• Датчик-реле уровня ДРУ-1
• Установка дизеля
• Экипажная часть
• Тележка
• Опора рамы тепловоза
• Рессорное подвешивание
• Колесная пара
• Букса
• Карданный привод
• Осевые редукторы
• Рычажная передача тормоза
• Рама тепловоза
• Ударио-тяговые приборы
• Кабина машиниста
• Кузов тепловоза
• Охлаждающее устройство тепловоза
• Общие сведения
• Вентилятор и его привод
• Маслоохладители
• Топливоподогреватель
• Привод компрессора и двухмашинного агрегат4
• Тормозная система и воздушная автоматика
• Тормозная система
• Схема воздушной автоматики
• Система пескоподачи
• Воздухопровод для разгрузки саморазгружающихся вагонов
• Тормозное оборудовани
• Регулятор давления № ЗРД60
• Клапан предохранительный № Э-216
• Клапан переключательный № ЗПК
• Клапан максимального давления № ЗМД
• Воздухораспределитель песочниц
• Форсунка песочницы
• Тифон
• Электрооборудование тепловоза
• Назначение, классификация и расположение
• Электрические машины
• Электрические аппараты и приборы
• Электрическая схема тепловоза
• Общие положения и источники питания
• Управление дизелем
• Заряд аккумуляторной батареи
• Регулировка напряжения на тепловозе и возбуждение вспомогательного генератора
• Управление передаче
• Управление холодильником
• Контрольно — измерительные приборы
• Сигнализация
• Работа системы бдительности
• Вспомогательные потребности
• Проверка сопротивления изоляции

Инструкция по эксплуатации

• Общие положения
• Меры безопасности
• Подготовка тепловоза к работе
• Экипировка
• Слив масла и воды из системы 99
• Сроки контроля масла и воды
• Эксплуатация тепловоза
• Подготовка к первому пу ску дизеля
• Пуск дизеля
• Осмотр тепловоза после пуска дизеля
• Работы, выполняемые пос ле пуска дизеля
• Работы, выполняемые при выезде из депо и смене бригад
• Переключение реверс-режима гидропередачи при работающем дизеле
• Трогание тепловоза с места и уход за ним в пути следования’
• Остановка дизеля
• Особенности эксплуатации тепловоза в зимних условиях
• Порядок транспортировки тепловоза в холодном состоянии
• Консервация и расконсервация тепловоза
• Правила хранения тепловоза
• Возможные неисправности тепловоза, их причины и методы, устранения

Инструкция по техническому обслуживанию и ремонтам

• Общие указания
• Меры безопасности
• Характеристика видов технического обслуживания, текущих, средних и капитальных ремонтов
• Сроки обслуживания и ремонтов
• Порядок технического обслуживания и текущих ремонтов тепловоза
• Уход за дизелем и вспомогательным оборудованием тепловоза
• Дизель
• Дюритовые соединения, трубопроводы, сливные пробки и краиы
• Регулировка частоты вращения коленчатого вала дизеля
• Очистка воздухоочистителя дизеля и промывка кассет воздушных фильтров
• Порядок замены масла дизеля
• Выпускная система
• Промывка секций холодильника
• Уход за маслоохладителем дизеля и УГП
• Регулирование регулятора давления № ЗРД и уход за компрессором
• Уход за клиноременной передачей
• Приведение датчика ДРУ-1 в рабочее положение
• Регулировка тифона
• Контроль засоренности фильтров тонкой очистки масла дизеля
• Уход за экипажной частью
• Общие сведения
• Осевые редукторы, карданные валы и роликовые буксы
• Главная рама, тележка и рессорное подвешивание
• Автосцепное устройство
• Колесные пары
• Уход за электрооборудованием
• Двухмашинный агрегат, электродвигатель вентилятора холодильника и вспомогательные электрические машины
• Сушка изоляции электрических машин
• Уход за электроаппаратурой, шунтами, контактами контакторов и реле
• Контроллер, провода и кабели 172
• Проверка мощности электропривода вентилятора холодильника
• Регулировка напряжения на тепловозе
• Работа стартеров
• Разборка и сборка узлов тепловоза
• Осевой редуктор тепловоза ТГМ4
• Осевой редуктор тепловоза ТГМ4А
• Карданные валы
• Колесная пара
• Буксы
• Тележка
• Разборка охладителя масла дизеля
• Муфта привода гидропередачи и ее установка

Приложения

Что такое тепловоз?

Тепловоз — это локомотив с установленным на нем двигателем внутреннего сгорания (дизелем), он мобилен и не требует для работы посторонних устройств и сооружений, например контактной сети, как электровоз. Силовой установкой на всех тепловозах являются именно дизели, мощность которых зависит от назначения локомотива.

Машинное отделение тепловоза — дизель

По роду службы их подразделяют на грузовые, пассажирские и маневровые. Но для движения одного дизеля естественно мало, для передачи его мощности к колесным парам используются следующие принципиальные схемы – электрическая и гидравлическая. В электрической передаче используется генератор электрического тока, вращаемый дизелем, а вырабатываемый ток питает тяговые электродвигатели, в гидравлической передаче рабочим телом, которое передает вращение к колесным парам, является жидкость (масло). В гидромуфтах и гидротрансформаторах создаваемый насосным колесом, вращаемым дизелем, напор масла воздействует на турбинное колесо, через которое передается вращающий момент посредством карданных валов на редукторы, в которых установлены колесные пары тепловоза, но все это конечно очень упрощенно, в общих чертах. Мы немного коснемся работы гидропередачи позже, а подробное описание техническим языком можно прочитать в моей статье здесь.

Тепловозы

Тепловозы – локомотив имеющий свою силовую установку, в основном дизельную и не зависящий от контактной сети, он так сказать, мобилен. Очень много у нас не электрифицированных железных дорог и тепловоз еще очень не скоро уйдет в прошлое, сегодня это очень мощные, компьютеризированные локомотивы и без них движение поездов невозможно. Так как-же тепловоз работает? Тепловозы имеют разные виды передачи мощности силовой установки к колесным парам но главные : электрическая и гидравлическая.

Передача мощности в тепловозах

Электрическая передача: дизель вращает генератор, а генератор вырабатывает ток, который и поступает на тяговые электродвигатели. Тяговые электродвигатели устанавливаются на колесные пары или на рамы тележек и посредством тяговых редукторов передают вращающий момент на колесные пары и мы едем! Конечно это все не так просто, но я описываю это простым и понятным языком, кому интересно глубже окунуться в эту тему, пожалуйста, задавайте вопросы и мы конкретно поговорим обо всем! Электрическая передача является самой распространенной и мощной в тепловозном мире. А в маневровой работе тепловозам нет равных! Практически вся маневровая работа на железных дорогах выполняется ими. Мощности тепловозов варьируются по роду службы от 1000 и до 6000 лошадиных сил, ну а тепловозы могут состоять из трех и четырех секций, поэтому мощность может быть и выше.

Электровоз

Гидравлическая передача: мощность дизеля передается колесным парам посредством жидкости /масло/ через гидротрансформаторы, гидромуфты и карданные валы к тяговым редукторам, колесные пары вращаются и мы едем!

Данные тепловозы используются в основном в маневровой работе на предприятиях промышленности, ну и на станциях ОАО РЖД.

Данная передача не боится воздействия влаги, пыли, вредных выбросов и всего такого прочего. Поэтому из-за очень высокой влажности тепловозы с гидропередачей работают на железной дороге острова Сахалин под маркой ТГ16 и ТГ16М на всех службах.

Как расшифровать названия моделей?

А как-же расшифровать, что написано на табличках на тепловозах?

Очень просто:

• Т-тепловоз,
• Э-электрическая передача,
• П-пассажирский, или далее М-маневровый.

Например: ТЭП-тепловоз с электрической передачей пассажирский или ТЭМ-тепловоз с электрической передачей маневровый. Ну и конечно: ТГ-тепловоз с гидравлической передачей.

Если впереди идут цифры, например 2ТЭ10-тепловоз с электрической передачей 10 модели двухсекционный /2/ а бывает и 3-трехсекционный и 4-четырехсекционный. Вот так.

Где производят тепловозы?

Тепловозы на сегодня выпускаются на Коломенском тепловозостроительном заводе /магистральные пассажирские и немного грузовые с электрической передачей/, Людиновском тепловозостроительном заводе /магистральные и маневровые тепловозы с гидравлической передачей а также и маневровые тепловозы с электрической передачей/. Во времена СССР основное производство магистральных тепловозов было сосредоточено на Ворошиловградском /Луганском/ тепловозостроительном заводе им. Октябрьской революции /Украина/, ну и конечно понятно что его уже не существует. Маневровые тепловозы с электрической передачей выпускались Брянским машиностроительным заводом. Хорошо помогала и братская ЧССР: маневровые тепловозы ЧМЭ3 /Чехословацкий маневровый с электрической передачей/ мощностью 900 лошадиных сил. Эти трудяги и сейчас во всю работают на маневровой работе. Немного тепловозов выпускал и выпускает Камбарский машиностроительный завод, но только для узкой колеи / 750 мм/. Промышленные тепловозы с гидравлической передачей небольшой мощности выпускал Муромский завод. Ну вот вкратце по тепловозам все.

Топливная система

предназначена для подачи дизельного топлива к топливным насосам высокого давления, а также для его хранения, очистки, подогрева перед подачей. Принципиальные схемы топливных систем большинства тепловозов примерно одинаковы (рис. 5.31).

При работающем топливоподкачивающем агрегате, который состоит из электродвигателя постоянного тока и шестеренного насоса, топливо из бака поступает по всасывающей трубе к коллектору, пройдя фильтры грубой и тонкой очистки; от коллектора топливо подводится к топливной аппаратуре высокого давления. Утечки топлива сливаются по трубопроводу в отсек топливного бака. Топливоподкачивающий насос подает в 2,5- 4 раза больше топлива, чем требуется для
работы дизеля, обеспечивая при этом устойчивую работу системы и возможность подогрева топлива в холодное время года. Избыток топлива, пройдя подпорный клапан и топливоподогреватель, возвращается в топливный бак по трубопроводу, выходное отверстие которого находится на расстоянии 10—15 мм от
входного отверстия всасывающей трубы, что способствует возникновению эжекционного эффекта забора топлива. Подпорный клапан поддерживает давление в топливном коллекторе 0,15 МПа; перепускной клапан, отрегулированный на давление 0,3-0,35 МПа, защищает топливоподкачивающий агрегат от перегрузки. При отказе топливоподкачивающего насоса или его двигателя включается клапан аварийного питания (шарикового типа) вследствие разрежения, создаваемого насосами высокого давления; при этом дизель может работать непродолжительно с ограниченной мощностью. Давление топлива перед фильтром тонкой очистки контролируется манометром, в коллекторе — манометром, оснащенным гасителем пульсаций давления. Топливные баки имеют заливные горловины с предохранительными сетками, топливомерные рейки, вентиляционные трубы, топливомерные стекла, пробки и клапаны для слива топлива и отстоя.

Запас топлива в баке (в кг):

где Q — масса поезда (т); L — пробег между наборами топлива, 800-1000 км; е — расход топлива на тягу поездов, 25-35 кг/104 т-км (брутто). Запасы топлива магистральных тепловозов составляют 5000-7000 кг.

Топливоподкачивающие насосы — шестеренного типа, преимущественно с внутренним зацеплением (рис. 5.32).

Ведущая втулка с внутренним зубчатым венцом приводит ведомую шестерню, находящуюся на оси; серповидный выступ разделяет потоки топлива, заполняющего впадины между зубьями шестерен, при вращении которых по часовой стрелке происходит нагнетание топлива из полости А в полость Б и далее в напорный труборовод. Производительность (одача) толивоподкачивающего насоса в м3/ч:

где k- коэффициент кратности циркуляции 2,5-4; Ne-эффективная мощность дизеля при номинальном режиме в кВт; ge- удельный расход топлива в кг/кВт*ч; ρт- плотность топлива в кг/м3. Производительность топливоподкачивающих насосов тепловозов составляет 1,6-1,8 м3/ч, а их мощность — 0,15-0,8 кВт.

Для грубой очистки топлива применяют фильтры с проволочно-щелевыми фильтрующими элементами, удерживающими частицы механических примесей размером 0,09 мм, а также фильтрующие элементы с набором чечевицеобразных сетчатых дисков (рис. 5.33):

в корпусе фильтра установлен набор сетчатых дисков, закрепленных гайкой на стержне. Топливо проходит от периферии к центру фильтра и очищается, просачиваясь через сетки с ячейками 0,045 мм. Для тонкой очистки топлива используются фильтры с войлочными фильтрующими элементами, удерживающими частицы размером более 20мкм. Более эффективными являются фильтры тонкой очистки с бумажными фильтрующими элементами ФЭТО (рис. 5.34), которые состоят из фильтрующей перегородки, установленной между внутренней и наружной картонными обечайками, соединенными торцовыми крышками. Такие фильтры удерживают частицы размером более 5-6 мкм и обеспечивают пробег локомотива до замены топлива около 50 тыс. км. На тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70 применяются фильтры тонкой очистки топлива с фильтрующими элементами на тканевой основе.