Принципы работы локомотивов

6. Принципы работы локомотивов:

     6.1. Паровоза – при  сжигании твердого топлива в топке газы проходят через жаровые и дымогарные трубы и выбрасываются в выхлопную трубу. Вокруг жаровых и дымогарных труб пространство заполнено водой. Перегретый пар собирается в верхней части парового котла, откуда под давлением поступает в цилиндры паровой машины. Из-за изменения направления подачи пара к поршню в паровой машине с одной или с другой стороны поршень и вместе с ним  соединительный ползун совершают  возвратно-поступательное движение. От ползуна через кривошипно-шатунный  механизм колесные пары совершают вращательное движение.

                                                                                                                 пар   

                                                                                                                

                               7

                                                                              3                            2       1

     6               5                    4        5

1. Паровая машина.

2. Поршень.

Рекомендуемые материалы

3. Ползун.

4. Кривошипно-шатунный механизм.

5. Дышла.

6. Рельс.

7. Колесные пары.

У паровоза низкий КПД (5-7 %) из-за  значительных потерь тепла в окружающую атмосферу.

                  6.2. Тепловоза – в качестве силовой энергетической установки используются двигатели внутреннего сгорания – дизели (Дизель Рудольф – немецкий ученый – изобретатель). В дизеле в отличие от карбюраторных двигателей топливо в мелкораспыленном виде воспламеняется не от искры электрической свечи, а от высокой температуры предварительно сжатого воздуха в цилиндре

6.2.1. Принцип работы четырехтактного дизеля.

        Рассмотрим процесс преобразования тепловой энергии, полученной от сгорания топлива в цилиндре дизеля, в механическую работу по вращению вала двигателя:

1. Цилиндр дизеля.

2. Поршень.

3. Шатун.

4. Кривошип.

5. Коленчатый вал.

6.Впускной клапан.

7.Форсунка.

8.Выпускной клапан.

При вращении коленчатого вала через кривошипно-шатунный механизм поршень в цилиндре будет совершать возвратно-поступательное движение.

При ходе поршня вниз открывается впускной клапан, и воздух от воздушного нагнетателя поступает в цилиндр. Проходит первый такт. При смене направления движения поршня наступает второй такт. Впускной клапан закрывается, и воздух в цилиндре сжимается. При подходе поршня к верхней точке температура воздуха из-за сжатия достигает 600-650^оС. В конце сжатия воздуха через форсунку в мелкораспыленном виде под давлением вспрыскивается дизельное топливо, и оно воспламеняется. При сгорании топлива в течение короткого времени выделяется большое количество газов с высокой тепловой энергией. Газы давят на поршень, и поршень перемещается вниз – рабочий ход или третий такт. В конце рабочего хода открывается выпускной клапан и через него  при перемещении поршня вверх газы выбрасываются в атмосферу – четвертый такт. В верхнем положении поршня выпускной клапан закрывается, впускной открывается и цикл повторяется.

                  6.2.2. Принцип работы двухтактного дизеля.

1. Цилиндр дизеля.

2. Поршень.

3. Шатун.

4. Кривошип.

5. Коленчатый вал.

6. Впускные окна.

7. Форсунка.

8. Выпускные клапана.

При ходе поршня вверх выпускные клапана закрываются, и в цилиндре поступивший через впускные окна воздух  сжимается – первый такт. При подходе поршня к верхней точке через форсунку впрыскивается дизельное топливо и воспламеняется. Образовавшиеся газы давят на поршень и перемещают его вниз – рабочий ход или второй такт. При опускании поршень открывает впускные окна и в этот же момент открываются выпускные клапана. Поступающим воздухом происходит продувка и очистка цилиндра от отработанных газов. Затем поршень перемещается вверх, выпускные клапана закрываются и т.д.

Перед подачей в цилиндр воздух сжимается в нагнетателе до 1,53,0 кГс/см². Этот процесс называется наддув. В случае подачи воздуха в цилиндр под давлением поступает большее количество воздуха, и мощность дизеля увеличивается в 1,52,0 раза.

На транспорте и в народном хозяйстве широко применяют четырехтактные и двухтактные дизели. Какой из них лучше – до сих пор спорят и специалисты. В мировой практике 6570 % четырехтактных дизелей, остальные двухтактные. На современных тепловозах, в основном, применяются четырехтактные дизели.

В дизеле несколько цилиндров (от 6 до 20). У коленчатого вала кривошипы или колена друг относительно друга смещены на угол 120^о. При таком расположении в одном цилиндре происходит первый такт, в другом – второй, в третьем – третий, в четвертом – четвертый. При соответствующем переключении впускных и выпускных клапанов происходит непрерывное вращение коленчатого вала. От коленчатого вала вращение передается на якорь генератора на тепловозах с электрической передачей; или через гидромуфту, или гидротрансформатор на колесные пары на тепловозах с гидропередачей; или через муфту, зубчатую передачу на колесные пары на тепловозах с механической передачей. От другого конца коленчатого вала вращение передается на привод масляного насоса, вспомогательных агрегатов. Имеется редуктор для привода распределительного вала с кулачками для открытия впускных и выпускных клапанов, для впрыска топлива в форсунки в определенной последовательности по цилиндрам дизеля.

                 6.2.3. Системы дизеля.

1. Топливная система – бак, емкостью 60007000 литров; трубопроводы с фильтрами, топливоподкачивающие насосы, насосы высокого давления.

2. Система воздухоснабжения – для подачи воздуха в цилиндры, чтоб обеспечить более полное сгорание кислорода в воздухе; воздухозаборники, фильтры, нагреватели.

3. Водяная система – для охлаждения стенок цилиндров, нагреваемых при сгорании топлива; водяные полости вокруг цилиндров; радиаторы, охлаждаемые воздухом.

4. Масленая система – маслопроводы, маслопрокачивающие насосы, фильтры грубой и тонкой очистки.

Для запуска дизеля подключают аккумуляторную батарею, включают маслопрокачивающий насос, топлиподкачивающий насос, подключают стартер-генератор к аккумуляторной батарее, который раскручивает коленчатый вал дизеля. После запуска дизеля стартер-генератор отключается от аккумуляторной батареи и к нему подключаются вспомогательные цепи. Так, например, происходит запуск дизеля на тепловозе 2ТЭ116. На других тепловозах могут быть и отличия.

       6.2.4.Способы передачи мощности от вала дизеля к колесным парам:

1. Механическая – коленчатый вал дизеля соединяется с колесными парами через муфты, зубчатые редукторы, карданные валы, осевые редукторы. Зубчатый редуктор должен быть многоступенчатым, называемый коробкой перемены передач. Муфты сцепления фрикционные или магнитные. Передача простая, имеет высокий К.П.Д. Но не пригодна для передачи больших мощностей (более 500700 кВт), т.к. коробку перемены передач необходимо выполнять большими габаритами и зубчатые колеса быстрее будут изнашиваться. Может применяться не некоторых дизельпоездах, мотовозах, автомотрисах, дрезинах.

2. Гидравлическая – коленчатый вал дизеля соединяется с колесными парами через гидротрансформатор или гидромуфту, карданные валы, осевые редукторы. Вал дизеля соединяется с насосным колесом гидромуфты, расположенного в замкнутом корпусе, называемый колоколом. Рядом с насосным колесом в колоколе расположено турбинное колесо, закрепленное на валу, который может вращаться в подшипниках, закрепленных в колоколе. От вала вращение будет передаваться на карданные валы и далее через осевые редукторы к колесным парам. Насосное и турбинное колеса представляют собой чашеобразные диски с закрепленными в них радиальными лопатками. Если колокол не заполнен жидкостью, то при вращении насосного колеса турбинное колесо не будет вращаться. При заполнении колокола маслом вращающееся насосное колесо своими лопатками захватывает поток масла и отбрасывает его на лопатки турбинного колеса, которое будет вращаться в том же направлении, что и насосное колесо. При гидравлической передаче на тепловозах использование простой гидромуфты не приемлемо, т.к., например, при трогании с места сопротивление вращению турбинного, а значит и насосного колеса велико, дизель начнет перегружаться, частота вращения коленчатого вала будет уменьшаться, и дизель может заглохнуть. По мере увеличения скорости движения вращающийся момент турбинного и, значит, и насосного колеса будет падать, т.е. нагрузка дизеля уменьшится. В гидротрансформаторе между насосным и турбинным колесами размещен неподвижный ряд лопаток, соединенных с корпусом. Тогда поток масла, покидающий турбинное колесо будет направляться на лопатки насосного колеса под одним и тем же постоянным углом. Этот ряд неподвижных лопаток называется направляющим аппаратом. Он позволяет насосному колесу, а значит, и дизелю нагружаться одинаковым (постоянным) моментом независимо от внешней нагрузки. Благодаря направляющему аппарату турбинное колесо получает возможность вращаться с малой частотой, преодолевая большой момент сопротивления, а дизель при этом работает с постоянной нагрузкой.

Как правило, в гидравлических передачах используются оба типа гидроаппаратов расположенных в одном корпусе. При трогании и разгоне заполняют маслом гидротрансформатор, затем после достижения достаточной скорости гидротрансформатор опоражнивают и заполняют маслом гидромуфту. Гидравлические передачи по сравнению с электрическими передачами имеют меньшие габариты, меньшие вес и стоимость на единицу мощности и малый расход цветных металлов. Но К.П.Д. ниже (примерно на 5%), чем при электрической передаче. Гидравлические передачи применяются на маневровых, промышленных тепловозах и дизельпоездах.

3. Электрическая – коленчатый вал дизеля через муфту соединяется с якорем генератора, от которого получаемое электрическое напряжение подается на электродвигатели, якоря которых через зубчатые передачи передают вращение на колесные пары. Каждая колесная пара имеет индивидуальный электродвигатель. При электрической передаче обеспечивается плавное изменение вращающего момента на колесных парах при постоянстве момента на валу дизеля, причем, это обеспечивается автоматически. Электрическая передача позволяет управлять из одной кабины несколькими локомотивами, отключать и включать под нагрузку в нужный момент электродвигатели, реверсировать тепловоз без изменения направления вращения вала дизеля.

                      6.2.5. Электрические передачи на тепловозах.

1. Постоянного тока, когда генератор и электродвигатели постоянного тока; передача простая и высокий К.П.Д.

Ещё посмотрите лекцию "Практическое занятие" по этой теме.

2. Постоянно-переменного тока, когда синхронный генератор переменного тока, а электродвигатели постоянного тока; необходима выпрямительная установка; применяется на тепловозах мощностью более 3000 кВт, так как при такой мощности генератор постоянного тока имел бы большие габариты, и увеличилось бы искрение под щетками на коллекторе.

3. Переменно-переменного тока, когда генератор и электродвигатели переменного тока; электрические машины переменного тока проще по конструкции, более надежные в эксплуатации, проще в ремонте; регулирование скорости движения выполняется изменением частоты переменного тока, поэтому необходимы специальные преобразователи частоты; применяется на некоторых опытных тепловозах.

  

      6.3. Газотурбовоза – при сгорании топлива (нефти, мазута) в огневых коробках газотурбинного двигателя мощный поток горячих газов попадает на лопатки газовой турбины, вал которой соединен с электрическим генератором, от которого электрическое напряжение подается на электродвигатели, которые через зубчатые передачи вращают колесные пары. Имеется компрессор для подачи воздуха в камеры сгорания и для разбавления горячих газов,  имеющих температуру около 2000^оС, чтобы на лопатки турбин смесь газов с воздухом поступала с температурой не более 800^оС (иначе не выдержат лопатки турбины по жаропрочности). Пока газотурбовозы выполнены как опытные образцы.

 

      6.4. Электровоза – при подаче электрического напряжения по подвешенному над железнодорожной колеей контактному проводу и рельсу и при соответствующем его преобразовании на электродвигатели, которые через зубчатые передачи передают вращение на колесные пары. Взависимости от подаваемого напряжения электровозы подразделяются на электровозы постоянного тока с номинальным напряжением в контактной сети 3000 В и на электровозы переменного тока с номинальным напряжением в контактной сети 25000 В,  и на электровозы двойного питания, способные работать как от контактной сети постоянного тока с напряжением 3000 В,  так и от контактной сети переменного тока с напряжением 25000 В.