Усовершенствование конструкции базового локомотива

ВВЕДЕНИЕ

Стремление к повышению скоростей движения на железных дорогах Украины, являющегося важным условием роста провозной способности требует внедрения новых типов тягового подвижного состава. В настоящее время значительная часть и грузовых перевозок на железных дорогах Украины осуществляется на тепловозной тяге. При этом следует отметить что большая часть тепловозного парка Укрзализныци имеет значительный моральный и физический износ. Очевидно, что закрепление и развитие, безусловно, положительной тенденции повышения скорости сообщений может быть обеспечено лишь при наличии современного тепловоза, соответствующего следующим требованиям:

— высокий уровень безопасности;

— высокий уровень эксплуатационной надежности;

— благоприятное соотношение цены и мощности;

— приемлемые расходы на техническое обслуживание.

Практика эксплуатации тягового подвижного состава во всем мире показывает, что наиболее выгодно использование локомотивов, которые спроектированы с ориентацией на конкретные условия эксплуатации: род службы, параметры состава, скорость, профиль пути, климатические условия. Требуемые характеристики локомотива во многом зависят от конструкции силовой установки, тягового привода и ходовой части — определяющих его тягово-энергетические показатели, надежность и приемлемые показатели взаимодействиия с верхним строением пути. Таким образом, целью данного дипломного проекта является разработка концептуального проекта перспективного грузового тепловоза, выбор конструкции его силовой установки и ходовой части на основании анализа современных конструкций. Расчет параметров дизеля тепловоза.

1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ СОВРЕМЕННЫХ ТЕПЛОВОЗОВ На рубеже XXI века в определенной степени прояснилось, какие тенденции будут определять развитие тепловозного парка железных дорог мира. На примере некоторых серий тепловозов, освоенных ведущими локомотивостроительными компаниями и практически готовых к широкому внедрению, можно проследить и пути совершенствования основных агрегатов и конструктивных узлов на ближайшую перспективу. Наиболее характерными в этом отношении являются магистральные тепловозы АС 6000 компании General Electric (GE), SD90MAC отделения Electro Motive компании General Motors (EMD GM), Blue Tiger компаний Adtranz и GE, тепловоз серии 2016 — Hercules компании Siemens.

1.1 Тепловоз АС 6000

GE выпускает тепловозы более 30 лет и постоянно совершенствует их. Еще в 1985 г. появился локомотив с двумя трехосными тележками, имевший улучшенные тягово-эксплуатационные характеристики, повышенную надежность и топливную экономичность, уменьшенные затраты на ремонт и техническое обслуживание. Улучшение характеристик достигнуто в результате увеличения мощности дизеля, генератора и тяговых двигателей, а также оптимизации работы тягового привода с помощью микропроцессорной системы управления, обеспечившей гибкое регулирование с лучшим использованием коэффициента сцепления при тяге и торможении. Надежность повышена благодаря уменьшению числа деталей и появлению возможности выявления и устранения перегрузок. Электронное регулирование впрыска снизило потребление топлива. Важным этапом явилось создание тепловоза АС 6000 мощностью 6250 л. с., работы над которым были начаты в 1991 г., а первые локомотивы введены в эксплуатацию в 1997 г.

Новый шестиосный тепловоз с двумя трехосными тележками имеет одну кабину управления и кузов капотного типа. В центральной части под рамой кузова закреплен топливный бак, сваренный из стального листа толщиной 16 мм. Дизель-генератор установлен на раме над топливным баком. V-образный дизель GE7HDL, разработанный с использованием опыта немецкой фирмы Motoren-Werke Mannheim (MWM), успешно работающей в этой области на протяжении нескольких десятилетий, отличается в лучшую сторону от прежнего типового GE7FDL, хотя число цилиндров и частота вращения остались неизменными (таблица). Он имеет два турбонагнетателя — по одному для каждого ряда цилиндров (турбонагнетатель — собственная разработка GE).

Дизель четырехтактный (что характерно для всех тепловозов GE), с литым чугунным блоком цилиндров и углом развала между рядами 45°. Он имеет четыре клапана на цилиндр, поршни со стальной головкой и алюминиевой юбкой, непосредственный впрыск, кулачковые валы по обе стороны блока, впускной и выпускной коллекторы, размещенные между рядами цилиндров. Применена электронная система управления впрыском, но возможна и механическая. Давление впрыска повышено до 1500 бар для лучшего распыления топлива и ускорения его сгорания. Индивидуальные топливные насосы высокого давления не имеют штанг толкателей, что уменьшает неравномерность подачи топлива по цилиндрам. Каждый ряд цилиндров оборудован отдельным промежуточным охладителем наддувочного воздуха.

Холодильник в системе охлаждения дизеля раздельный, вода после секций холодильника разделяется на два потока, причем часть ее возвращается в дизель, а остальная охлаждается до более низкой температуры и затем используется в промежуточных охладителях. Для повышения производительности в холодильнике установлены два вентилятора, хотя при работе дизеля на основных режимах, что занимает большую часть времени, достаточно одного.

Блок цилиндров целиком отлит из чугуна с шаровидным графитом, который примерно на 60% прочнее легированного, использованного в блоке дизеля GE7-DL, и на 45% повышает жесткость конструкции. Чугунные втулки цилиндров запрессованы в блок, их посадочные поверхности в верхней части блока расположены вблизи зоны действия максимальных сил. Сверху на втулку через стальную прокладку опирается цилиндровая крышка, притянутая к блоку стальными болтами. Чугунные цилиндровые крышки имеют одинаковый с блоком коэффициент теплового расширения. Стальная прокладка под цилиндровой крышкой не сообщается с каналами для охлаждающей жидкости, так что система охлаждения полностью защищена от загрязнения продуктами сгорания, а охлаждающая жидкость не может попасть в цилиндры дизеля. На каждую шатунную шейку кованого коленчатого вала опираются шатуны противоположных цилиндров. При этом улучшаются условия смазывания шатунных подшипников и становятся более равномерными нагрузки. Сварно-литой картер нового дизеля сделан вместительнее на 30% для увеличения периодичности замены масла.

Тепловоз имеет шесть асинхронных тяговых двигателей GEB13 особо прочной конструкции. В продолжительном режиме каждый тяговый двигатель развивает силу тяги 123 кН при расчетном коэффициенте сцепления 0,4 без какой-либо опасности перегрева. Двигатели имеют опорно-осевое подвешивание на подшипниках с коническими роликами. Тяговый редуктор заполнен смазкой, которая используется также для подшипника тягового двигателя со стороны шестерни. Вал якоря тягового двигателя выполнен как одна деталь с шестерней, что устраняет возможность ее смещения. Охлаждающий воздух подается в двигатель со стороны шестерни для лучшего охлаждения наиболее нагруженного места и снижения сопротивления потоку воздуха на выходе. В асинхронном двигателе нет ни щеток, ни коллектора, поэтому ему нужен лишь минимальный уход. Смазку подшипников якоря меняют раз в год, уровень масла в тяговом редукторе проверяют раз в квартал.

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

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

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

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

1.2 Тепловоз SD90MAC

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

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

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

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

Составные поршни имеют патентованную стальную головку Thermoflo, улучшающую условия сгорания и уменьшающую расход топлива. Цилиндропоршневая группа каждого цилиндра выполнена с возможностью установки и демонтажа как единое целое, что было характерной особенностью двухтактных дизелей моделей 645 и 710. Применена электронная система управления впрыском. Новый дизель оборудован двумя турбонагнетателями — по одному на каждый ряд цилиндров. Переход на четырехтактный двигатель позволил отказаться от привода турбонагнетателя на низких позициях контроллера от коленчатого вала через редуктор. Теперь энергии выхлопных газов достаточно для работы турбонагнетателей на любом режиме дизеля. Система охлаждения дизеля заполнена пропиленгликолем, что позволяет надолго останавливать двигатель при низкой температуре окружающего воздуха. Кроме того, при последующем запуске расходуется меньше топлива.

Тепловоз опирается на две трехосные тележки, основной особенностью которых является способность колесных пар занимать радиальное положение при проследовании кривых. Это позволяет локомотивам с трехосными тележками беспрепятственно обращаться на линиях, где прежде могли работать только локомотивы с двухосными тележками. Испытания тепловоза в ТТС показали, что созданная в сотрудничестве с немецкой компанией Siemens компьютеризированная система управления оказалась эффективной. Сила тяги при трогании доведена до 900 кН. Один тепловоз SD90MAC на площадке вел поезд массой 11 400 т со скоростью 65 км/ч, для чего ранее нужны были четыре тепловоза SD40−2.

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

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

1.3 Тепловоз Blue Tiger

Масса мощных шестиосных тепловозов достигает 192…195 т, осевая нагрузка превышает 30 т. Их можно эксплуатировать только на линиях с соответствующим верхним строением пути. Однако такой путь имеют далеко не все железные дороги, и эта ситуация сохранится в XXI в. Следовательно, для железных дорог многих стран нужны локомотивы с меньшей осевой нагрузкой. В начале 90-х годов европейская компания Adtranz и американская GE решили совместно создать семейство универсальных тепловозов нового поколения на основе последних достижений науки и техники с тем, чтобы путем непринципиальных модификаций можно было получить локомотив, приспособленный к различным условиям эксплуатации: в грузовом и пассажирском движении, на дорогах разной колеи, при различном состоянии пути.

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

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

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

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

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

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

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

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

Основной служебный тормоз тепловоза электродинамический (реостатный), работающий до скорости 1 км/ч с автоматическим поддержанием тормозной силы на уровне, определяемом условиями сцепления. Тормозная система сохраняет ¾ мощности при выходе из строя одного из резисторов и 5/6 при отказе одного из тяговых двигателей или инверторов. Окончательно останавливает поезд пневматический тормоз, управляемый отдельной компьютеризированной системой. Стояночный тормоз локомотива имеет пружинный привод.

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

1.4 Тепловоз серии 2016 — Hercules

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

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

Таблица 1.1 Техническая характеристика тепловоза серии 2016

В локомотиве есть два боковых прохода — для машиниста и для обслуживающего персонала депо. Первый напрямую соединяет две кабины управления. Из него машинист может попасть в любой из отсеков при выполнении мероприятий, необходимых для подготовки локомотива к поездке или выполняемых по ее завершении. Поперечный проход, соединяющий оба боковых, находится между отсеками электрооборудования и дизель-генератора. Под боковым проходом для обслуживающего персонала проложены воздушные трубопроводы, линии питания тяговых двигателей и кабель магистрали электроснабжения поезда. Под другим боковым проходом расположены линии питания вспомогательного оборудования, кабели систем управления и сигнализации, а также информационные шины. Благодаря такому пространственному разделению кабелей с большими токами и линий управления исключается их взаимное мешающее влияние.

При проектировании механической части тепловоза серии 2016 нужно было обеспечить: низкий уровень излучаемого шума; пониженное содержание вредных компонентов в выхлопных газах; высокую пассивную безопасность; удобство проведения технического обслуживания и ремонта; совершенствование технологических процессов изготовления компонентов оборудования и их монтажа.

Решению этих задач в большой степени способствовало использование модульного принципа. Были разработаны новые, компактные и готовые к монтажу модули, предварительно испытанные в заводских условиях. Благодаря этому сокращены затраты времени на сборку и выполнение ремонтных работ.

Благодаря использованию современных принципов конструирования, новых материалов и технологий удалось вскрыть большие резервы в области снижения уровня шумоизлучения и обеспечения удобства технического обслуживания. В качестве примера можно назвать панели боковых стенок сотовой конструкции, крепящиеся к каркасу. Дизель, являющийся основным источником шума, полностью экранирован. Несмотря на это, пути распространения шума, ориентированные прежде всего вдоль воздухоподводов, дополнительно снабжены кулисными глушителями, а эффективный звукопоглощающий материал стенок уменьшает уровень шума непосредственно в машинном отделении. Вредные выбросы дизеля снижены до минимума благодаря современной системе регулирования и повышенному давлению впрыска.

Форма лобовой части локомотива разработана компанией Siemens в тесном сотрудничестве с представителями OВВ на базе аэродинамических расчетов и в соответствии с заданной максимальной скоростью.

Каркас кабины состоит из трех основных частей: пол, боковые стенки с оконными и дверными проемами, а также задняя стенка с проемом для двери в машинное отделение являются частью сварного каркаса всего кузова; лобовая часть со скосами, образующими переходы к боковым стенкам, представляет отдельный сварной модуль, который крепится на болтах к каркасу кузова на этапе сборки; крыша кабины из пластика, армированного стекловолокном, и цельное лобовое стекло крепятся с помощью клея к лобовой части, смонтированной в окончательном положении.

Лобовая часть, несущую конструкцию которой образуют нижний, средний и верхний опоясывающие профили, а также скосы переходов к боковым стенкам, соединяется с каркасом кузова в жесткую стальную конструкцию. Она служит для восприятия всех основных нагрузок на кузов локомотива, в том числе аэродинамических сил, продольных, возникающих при наезде на препятствие, и изгибных, действующих при подъеме локомотива с одного конца.

Кузов имеет сварную конструкцию. Его рама выполнена из балок коробчатого сечения. Боковые продольные балки по концам соединены массивными буферными брусьями, а в промежутках — шкворневыми и дополнительными поперечными балками для установки дизеля. По продольной оси рамы проходит хребтовая балка коробчатого сечения, связанная со всеми поперечными. Она служит для восприятия сил тяги и торможения, передаваемых через шкворень, и распределения их между буферными брусьями. В центре кузова расположен дизель-генераторный агрегат, имеющий собственную опорную конструкцию. Места для строповки при подъеме находятся по концам локомотива под буферными брусьями и по бокам в зоне шкворневых балок.

Опорная конструкция дизель-генераторного агрегата, соединительные элементы модулей охлаждения, основания центрального блока электроники и стенда тормозного оборудования, а также консоли для крепления подкузовного оборудования являются интегрированными составными частями рамы.

Боковые стенки кабины управления и машинного отделения, а также задние стенки кабин управления являются несущими конструктивными элементами цельнометаллического кузова. Каркас боковых стенок машинного отделения представляет собой решетчатую конструкцию, которая во время окончательной сборки оклеивается алюминиевыми сотовыми панелями. Крышевые скосы соединяются между собой поперечными дугами, крепящимися с помощью болтов, и также образуют несущую конструкцию. Поперечные дуги являются составной частью перегородок машинного отделения. В машинном отделении основные компоненты оборудования расположены в основном по центру, поэтому слева и справа вдоль стен образуются два боковых прохода. Перегородки между отсеками в зоне боковых проходов имеют двери. Такая конструкция экранирует дизель, что значительно снижает уровень излучаемого шума.

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

В дизельном отсеке кроме двигателя расположены системы для турбонаддува и охлаждения наддувочного воздуха, предварительного обогрева, гидростатический привод вентилятора системы охлаждения, глушитель шума, воздухоподвод для дизеля и частично генератор. За исключением глушителя шума все указанные агрегаты крепятся непосредственно к двигателю или связаны с ним.

Дизель типа MTU 16V 4000 R 41 модифицирован изготовителем по заданию компании Siemens Krauss-Maffei Lokomotiven.

Дизельный отсек вентилируется с помощью генератора, который забирает свежий приточный воздух из отсека электрооборудования. Через выходное вентиляционное окно генератора несколько нагретый воздух поступает в машинное отделение. Из зоны дизеля отработавший воздух удаляется вентилятором модуля холодильника. Он забирает воздух из дизельного отсека через окно в перегородке и выбрасывает наружу.

В холодильном отсеке размещен цельноблочный алюминиевый холодильник с расширительным баком для воды, вентилятором с гидростатическим приводом, уравнительным масляным резервуаром для гидросистем и глушителем. Холодильник поставляется в виде контейнера, являющегося полностью укомплектованным и готовым к эксплуатации модулем. Глушитель проходит через окно в перегородке дизельного отсека. Через него отработанный воздух удаляется из машинного отделения. Охлаждающий воздух поступает снаружи через решетки в боковых стенках. С выхода холодильника нагретый воздух удаляется через крышу с помощью вентилятора. Генератор через проем в перегородке частично выходит в отсек электрооборудования, где, кроме электрической, электронной и тормозной аппаратуры, размещается воздушный фильтр дизеля. В этот отсек воздух подается снаружи через две решетки и центробежный очиститель. Монтаж и демонтаж всех крупных агрегатов производится через крышу.

В отличие от других новых локомотивов, поставляемых на сеть OВВ, тепловоз серии 2016 имеет кабины с дверями, расположенными с двух сторон. Внутреннее оборудование кабины и концепцию размещения органов управления компания Siemens разрабатывала совместно с OBB. Пульт, спроектированный в соответствии с требованиями эргономики, расположен почти по центру кабины. Он содержит все элементы, необходимые для эксплуатации локомотива на сетях Австрии, Германии и Словении.

Электрически управляемые наружные зеркала для наблюдения за поездом и кнопка аварийного отключения в грибковом исполнении повышают уровень безопасности. Кабины оборудованы системой кондиционирования воздуха и имеют шумои теплоизоляцию. На задней стенке кабины закреплено откидное сиденье. Все окна изготовлены из триплекса, цельное лобовое стекло локомотива и зеркала имеют электрический обогрев.

Рама тележки сварена из балок коробчатого сечения: двух продольных, шкворневой и двух концевых. Кузов опирается на тележку через пружины вторичного рессорного подвешивания, которые для уменьшения возвращающего момента используются в комбинации с подпятниками. С целью сведения к минимуму разгрузки колесных пар силы тяги и торможения передаются на кузов локомотива через низко расположенный шкворень тележки. Упор, интегрированный в резинометаллический упругий элемент, предохраняет шкворневой узел от повреждений. Для демпфирования колебаний в вертикальном и поперечном направлениях служат гидравлические гасители. Каждая тележка оборудована также двумя гасителями, демпфирующими колебания виляния, что способствует повышению плавности хода. Оси колесных пар выполнены полыми. Цельнокатаные колеса оснащены тормозными дисками. Буксовые узлы выполнены на цилиндрических роликоподшипниках. Корпуса букс соединены с рамой тележки треугольными поводками. В их конструкции использованы резинометаллические упругие элементы. Тележка опирается на буксы с помощью винтовых рессор типа Flexicoil.

Топливный бак и аккумуляторная батарея предварительно монтируются в заводских условиях в один модуль. Дополнительно в него интегрируются соответствующие компоненты топливной системы.

Сварной кожух модуля представляет собой самонесущую конструкцию. Он крепится в четырех местах к раме локомотива под кузовом. Вместимость топливного бака составляет 2500 л.

Тяговые приборы состоят из поглощающего аппарата с кольцевой пружиной, тягового крюка и винтовой сцепки. Ударные устройства, выполненные в виде буферов, могут быть пружинными или гидравлическими. Последние способны поглощать бoльшее количество энергии и по классификации МСЖД относятся к классу С.

Для восприятия сильных толчков при соударениях или наезде последовательно с буферами смонтированы сминаемые элементы, способные поглотить энергию удара до 1 МДж. Благодаря им снижаются нагрузки на основную конструкцию локомотива при столкновении на скорости до 40 км/ч.

Дизель MTU 16V 4000 R41 является четырехтактным двигателем с непосредственным впрыском Common-Rail, двухконтурной системой жидкостного охлаждения, газотурбинным наддувом и внешним охлаждением наддувочного воздуха. Система непосредственного впрыска Common-Rail обеспечивает высокое давление впрыска, оптимально регулируемого в соответствии с характеристиками двигателя.

При полной нагрузке дизеля удельный расход топлива составляет 195 г/кВт· ч, что отвечает требованиям инструкции ERRI 1997, нормирующей вредные выбросы. Дизель будет также отвечать требованиям разрабатываемой инструкции ERRI 2003, ориентированной на меньшие значения удельного расхода топлива.

Тяговый генератор, имеющий фланцевое соединение с дизелем, вырабатывает переменный трехфазный ток. Подключенный к нему выпрямитель на кремниевых диодах, соединенных в трехфазную мостовую схему, питает промежуточный контур постоянного напряжения. Последний обеспечивает питание трехфазного инвертора, к которому по параллельной схеме подключены четыре асинхронных тяговых двигателя трехфазного тока, а также однофазного инвертора, питающего магистраль электроснабжения поезда.

Трехфазный импульсный инвертор скомпонован из охлаждаемых водой фазовых модулей на запираемых тиристорах, которые широко используются на подвижном составе различных типов. Модули характеризуются высокой мощностью и компактной конструкцией. Один инвертор питает все четыре асинхронных тяговых двигателя трехфазным током, напряжение и частота которого регулируются. Асинхронные трехфазные тяговые двигатели типа 1ТВ24 с короткозамкнутым ротором имеют продолжительную мощность 410 кВт. Электрические и магнитные параметры выбраны таким образом, что двигатели обеспечивают необходимую мощность и имеют высокий КПД. Высокая тактовая частота тягового инвертора, а также использование в его системе регулирования оптимизированного импульсного алгоритма способствуют уменьшению тепловых потерь тяговых двигателей. Максимальное значение напряжения на зажимах двигателя в режиме тяги составляет 1872 В, крутящего момента — 6500 Н· м и частоты вращения — 3710 об/мин. Тепловоз серии 2016 является первым на сети OВВ локомотивом, где использована передача с полым валом. Речь идет о редукторе, корпус которого с зубчатым колесом, шестерней и подшипниками опирается на полую ось колесной пары, в то время как тяговый двигатель подрессорен системой первичного подвешивания. Крутящий момент от вала двигателя к шестерне редуктора передается с помощью стальной пластинчатой муфты, крепящейся на болтах. Это облегчает проведение ремонтных работ, так как позволяет быстро разъединять тяговый двигатель и редуктор. Основным преимуществом такой конструкции перед обычно использовавшейся на OВВ передачей с опорно-осевым подвешиванием является снижение неподрессоренных масс.

дизель кузов водомасляной теплообменник

2. КОНЦЕПЦИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО ТЕПЛОВОЗА

2.1 Кузов и общая компоновка В качестве базового кузова перспективного тепловоза, был выбран кузов тепловоза ТЭП 150. Основанием выбора такого базового варианта в первую очередь было то, что производство такого кузова находится в Украине на Луганском тепловозостроительном заводе. Во-вторых, конструкция кузова и технология его производства в достаточной степени отработаны, что было подтверждено испытаниями электровоза ТЭП 150.

Одним из основных достоинств такого кузова является его несущая конструкция, позволяющая существенно уменьшить общую массу тепловоза, не снижая показателей прочности, что особенно важно при использовании тепловоза в пассажирском движении.

Основное снижение массы кузова достигнуто благодаря максимальному использованию облегченных конструкций. Это стало возможным при использовании современных принципов конструирования, использованию в конструкциях более тонкого листового материала. Жесткость деталей из него повышали за счет отбортовки краев и штамповки гофров.

Лобовая часть кузова имеет улучшенную аэродинамическую форму в расчете на движение со скоростями до 200 км/ч.

К торцовым балкам нижней части кузова привариваются сминаемые защитные элементы, обеспечивающие защиту при столкновении с препятствием со скоростью до 15 км/ч или воздействии силы 300 кН.

Поскольку при проработке концепции тепловоза в основу был положен модульный принцип, конструкция кузова предусматривает его сборку из отдельных блоков — модулей, таких как: средняя часть кузова с главной рамой и автосцепками, кабины и переходные тамбуры. Путем стыковки модулей можно получить локомотив с одной кабиной и переходным тамбуром, с двумя кабинами и с двумя переходными тамбурами (бустерная секция). Кабины и переходные блоки не включаются в силовую схему несущей конструкции кузова.

Крыша над машинным отделением выполнена в виде единой сварной конструкции. При ее снятии возможен монтаж крупных агрегатов длиной до 6 м, в частности, дизель-генератора. Блоки инверторов, компрессор, двигатели вентиляторов охлаждения тяговых двигателей вынимают через люки без снятия крыши.

Отсутствие второй кабины позволяет разместить компрессор и другие узлы тормозной системы в задней части локомотива, а блоки систем управления и контроля непосредственно рядом с кабиной. Это позволяет уменьшить протяженность, упростить монтаж и обслуживание модулей соединительных шин. Кроме указанных преимуществ, такое размещение оборудования позволяет снизить до минимума уровень шума и вибрации в кабине.

Забор воздуха для дизеля и охлаждения тяговых двигателей производится через фильтры расположенные в крышевых секциях кузова и закрытых жалюзи с целью уменьшения попадания пыли.

Таким образом, концепция кузова перспективного тепловоза предусматривает использование модульного принципа сборки, применение легких конструкционных материалов, несущую конструкцию кузова, применение аэродинамической формы, использование защитных элементов, удобство компоновки узлов и систем, комфортные условия работы локомотивной бригады.

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

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

Тенденция перехода к использованию приводов на базе трехфазных асинхронных тяговых двигателей делает необходимым пересмотр свойств тяговых приводов именно с позиции применения асинхронного двигателя.

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

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

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

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

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

2. Приняв сцепной вес определяем силу сцепления локомотива в расчетном режиме где — коэффициент сцепления при движении с расчетной скоростью.

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

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

4. Наибольший возможный диаметр делительной окружности зубчатого колеса где — диаметр колес; - клиренс; - расстояние от наружной стенки кожуха до делительной окружности.

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

Централь передачи:

.

6. Внутренний диаметр расточки остова равен:

где — диаметр наружной обоймы моторно-осевого подшипника.

7. Внешний диаметр статора

8. Частота вращения двигателя в номинальном режиме:

9. Длину сердечника якоря рассчитаем по формуле:

где — коэффициент полюсного перекрытия; - индукция в рабочем зазоре; - линейная нагрузка якоря.

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

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

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

Как видно на рис. 2.1 при одинаковой мощности, асинхронный тяговый двигатель имеет меньший монтажный объем, чем двигатель постоянного тока.

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

где — толщина стенки литого остова.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДИЗЕЛЯ

3.1 Техническая характеристика дизель-генератора 10ЧН26/27

Дизель — генератор 10ЧН26/27 при модернизации устанавливается в кузове тепловоза на амортизаторах и обеспечивает возможность обслуживания и соединения систем дизеля с системами тепловоза применением переходных деталей и сборочных единиц.

Дизель — генератор 10ЧН26/27 состоит из дизеля и синхронного генератора, смонтированных на поддизельной раме и соединенных между собой эластичной муфтой.

Дизель 4-тактный, нереверсивный, со струйным смесеобразованием, газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха. Характеристики дизель — генератора 10ЧН26/27 приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Технические характеристики дизеля 10ЧН26/27