Решение проблем тяговых свойств тепловозов при заводском ремонте

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ТЯГОВЫХ СВОЙСТВ ТЕПЛОВОЗОВ ПРИ ЗАВОДСКОМ РЕМОНТЕ

А.А. Ефремов

АННОТАЦИЯ

Представлен метод определения нагрузки на раму тепловоза, прошедшего капитальный ремонт, с продлением срока службы. Метод заключается в измерении массы верхнего строения тепловоза с последующим после взвешивания размещением дополнительных грузов. Также разработано устройство для определения массы верхнего строения тепловоза, которое может быть использовано для тепловозов 2ТЭ10МК. Предложена методика расчета толщин регулировочных прокладок в условиях депо, а также предложен способ перекомпоновки водомаслянного теплообменника.

ABSTRACT

The method of determination of loading is presented on the frame of diesel engine the last major repairs with the extension of time of service. A method consists in measuring of mass of overhead structure of diesel engine with subsequent after weighing placing of additional loads. A device is also worked out for determination of mass of overhead structure of diesel engine, that can be used for the diesel engines of 2ТЭ10МК. Methodology of calculation of thicknesses of regulation gaskets offers in the conditions of depot, and also the method of resiting of водомаслянного heat-exchanger offers.

нагрузка ось локомотив тележка

1. Анализ причин неравномерности распределения нагрузки по осям и сторонам локомотива

2. Особенности установки дизеля Д49 на тепловоз 2ТЭ10МК

2.1 Технология установки дизель-генераторной установки Д49

3. Особенности реализации сцепной массы

3.1 Изменение коэффициента сцепного веса в зависимости от расположения ТЭД на раме тележки

3.2 Расчёт коэффициента использования сцепного веса грузовых тепловозов с колёсной характеристикой типа 3о-3о

3.3 Определение коэффициента использования сцепного веса тепловоза 2ТЭ10М

3.4 Новые представления о тяговых свойствах подвижного состава

4. Размещение оборудования на тепловозе

4.1 Общие принципы размещения оборудования на тепловозе

4.2 Анализ компоновок различных тепловозов

4.3 Основные положения размещения оборудования тепловоза 2ТЭ10МК

5. Технология развески тепловоза

5.1 Цели и задачи развески

5.2 Расчет развески тепловоза 2ТЭ10МК

5.2.1 Определение центра тяжести

5.3 Предварительные работы, связанные с развеской тепловоза

5.3.1 Подбор и монтаж опорно-возвращающих устройств

5.3.2 Подбор комплектов резинометаллических элементов рессорного подвешивания

5.3.3 Подбор пружин рессорного подвешивания

5.3.4 Установка или снятие дополнительных прокладок в зависимости от диаметра круга катания колесных пар

5.4 Правила и порядок взвешивания тепловоза 2ТЭ10МК

5.4.1 Устройство определения нагрузки от колес колесных пар локомотивов

5.4.2 Общие положения

5.4.3 Правила взвешивания тепловозов

5.5 Оформление результатов взвешивания и расчет количества прокладок рессорного подвешивания

6. Способы повышения эффективности технологического процесса развески и дополнительные меры по улучшению распределения нагрузки

6.1 Проект технологической рамы

6.1.1 Назначение и общий вид технологической рамы

6.1.2 Испытание объекта технологической рамы в SolidWorks Simulation

6.2 Взвешивание надтележечного пространства, как этап технологического процесса развески

6.3 Способ компоновки водомасляного теплообменника

6.4 Технология подбора прокладок без применения специальных весов

6.4.1 Конструкция тележки тепловоза 2ТЭ10МК

6.4.2 Рама тележки

6.4.3 Расчет толщин регулировочных пластин для настройки рессорного подвешивания тепловоза 2ТЭ10МК

Тягово-сцепные качества, зависящие от технического состояния рессорного подвешивания и оборудования экапажной части в целом, оказывают значительное влияние на эффективность работы тепловозов 2ТЭ10МК. Магистральный двухсекционный тепловоз 2ТЭ10МК мощностью 3000 л.с. является модернизированной версией тепловоза 2ТЭ10М. Предназначен для грузовой работы на железных дорогах с шириной колеи 1520 мм.

В результате наблюдений за работой тепловозов было установлено, что после выполнения капитального ремонта имеет место значительное снижение тяговых свойств тепловозов. Это свидетельствует о том, что на тепловозах после проведения ремонтов нарушается развеска, то есть распределение массы локомотива между осями колесных пар становится неравномерным. В результате некоторая часть массы тепловоза создает «лишнюю» нагрузку на оси колесных пар, что приводит к возникновению боксования, повышенному расходу песка, повышеный износ бандажей колесных пар, перерасход топлива, выход из строя ТЭД и т. д.

При прохождении КРП на заводе, то есть при его модернизации (установка дизеля Д49, внедрение микропроцессорных систем и т. д.), имеет место нарушение технологии проведения ремонта. Убирается некоторая часть старых креплений, а на оставшуюся часть и ставят новый дизель, не перемещая баласты для уравновешивания нагрузки на ось, что является грубой ошибкой в процессе ремонта.

В виду всего перечисленного выше можно сделать вывод о том, что после капитального ремонта эксплуатируемые машины выходят из строя чаще, чем до капитального ремонта и коэфициент внеплановых ремонтов при этом растет, что экономически делает такие машины не эффективными. Это выражается именно в том, что стоимость ремонта очень велика и чем больше внеплановых ремонтов будут проходить тепловозы, тем больше будет финансовых потерь и на некоторый срок тепловоз не сможет выполнять своих главных функций, а именно перевозить грузы и приносить прибыль.

Одной из причин, как было сказано ранее, является именно снижение тяговых свойств за счет неравномерного распределения нагрузки на оси колесных пар. Отсюда становится ясным, что существует необходимость искать рациональные пути решения проблем развески и подбора рессорного подвешивания.

Усредненые данные расчетов показывают, что снижение силы тяги всего лишь на 3% от ее номинального значения при условии нормальной статической нагрузки на ось приводит к снижению скорости на 1,8 км/ч. Не сложно догадатся, что на участке пути длинной 200 км время следования будет увеличиваться на 15 минут. Становится ясным, что в данных условиях в значительной мере растут эксплуатационные расходы.

С данными фактами мириться ни как нельзя, что способствует работам в этом направлении и актуальность проблем снижения тяговых свойств, на модернизированных тепловозах 2ТЭ10МК из-за нарушения развески, сохраняется, как одна из важнейших существующих проблем в локомотивном хозяйстве.

Можно сделать вывод, что необходимо совершенствовать методы оценки характеристик при ремонтах. Следует внедрять новые технологии и технологические оснастки для развески тепловозов в условиях завода.

Целью данного дипломного проекта является создание условий для реализации сбалансированной статической нагрузки на оси колесных пар, а также на тележки тепловоза. Основным направление работы является разработка технологии развески в два этапа, а именно предварительного взвешивания верхнего строения тепловоза с целью правильного размещения балластов и подбора пружин рессорного подвешивания.

1. АНАЛИЗ ПРИЧИН НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ ПО ОСЯМ И СТОРОНАМ ЛОКОМОТИВА

Величиной, объективно характеризующей тягово-сцепные качества локомотива, является коэффициент использования сцепного веса определяемый как

(1.1)

где — осевая нагрузка локомотива при идеально равномерном распределении нагрузок между осями;

— величина разгрузки наименее нагруженной колесной пары.

Физический смысл использования коэффициента заключается в количественной оценке реализуемой силы тяги от теоритически возможного значения по наименее нагруженой колесной паре. Чем ближе данный коэффициент к единице, тем удачнее конструкция локомотива.

Снижение коэффициента использования сцепного веса вызывается, в первую очередь, нарушением равномерности распределения нагрузки между осями и колесами локомотива в статике и в динамике. В статике неравномерность распределения надрессорного строения по осям и сторонам наблюдается у локомотивов, прошедших деповской или заводской виды ремонта.

Проанализировав работы [1−4], можно установить, что причинами такой неравномерности могуть быть:

— нарушение статической развески локомотива;

— изменение параметров упругих элементов рессорного подвешивания в эксплуатации, а также произвольная комплектовка и регулировка рессорного подвешивания;

— различные виды остаточных деформаций рам тележек локомотива в процессе эксплуатации, сопровождающегося изменением относительных уровней опор пружин и рессор, нарушением геометрии стоек тележек.

В динамике комплекс факторов, определяющих снижение коэффициента использования сцепного веса локомотива занчительно шире, а именно:

— конструктивные особенности привода: влияние группового и индивидуального привода, кинематическая точность элементов группового привода, колебательные процессы в узлах группового привода, тип ТЭД, влияние опорно-осевого и опорно-рамного подвешивания ТЭД, влияние одностороннего и двустороннего привода;

— конструктивные особенности рессорного подвешивания и конструкции тележек: влияние свойств челюстных и бесчелюстных букс, влияние свойств сбалансированного и несбалансированного рессорного подвешивания, влияние количество ступеней подвешивания;

— влияние силы сопротивления подвижного состава: догружатели тележек;

— колебательные процессы верхнего строения.

Нарушение статической развески локомотива может быть вызвано изменением конструкции локомотива, заменой агрегатов и узлов на аналоги других типов (замена дизеля) и изменением положения этих устройств на локомотиве при производстве капитальных ремонтов и модернизации.

После таких операций необходимо выполнение комплекса мероприятий, обеспечивающих восстановление равномерности распределения нагрузки. Статическая развеска достигается путем балластировки грузами, т. е. размещение балластов, также путем размещения наиболее массивных агрегатов (например, теплообменник). Неотъемлимой частью технологического процесса развески является операция взвешивания надтележечного строения локомотива на специальных весах.

2. ОСОБЕННОСТИ УСТАНОВКИ ДИЗЕЛЯ Д49 НА ТЕПЛОВОЗ 2ТЭ10МК

Как известно при прохождении на УЛРЗ капитального ремонта с продлением срока службы на тепловозе 2ТЭ10МК заменяется дизель-генераторная установка. Вместо ДГУ 10Д100 устанавливают ДГУ 1А-9ДГ (Д49). Ранее было упомянуто, что замена подобного рода является изменением конструкции локомотива, что в свою очередь является причиной нарушения статической развески, поэтому следует подробнее изучить технологию установки дизеля.

2.1 Технология установки дизель-генераторной установки Д49

Перед постановкой дизель-генератора на раму тепловоза производится зачистка опорных платиков на раме тепловоза и поддизельной раме.

Транспортировать дизель-генератор со стенда для центровки ДГУ на секцию тепловоза (сечение В-В) пружины 30, шайбы 29 и шпильки 26 с накрученными и зашплинтованными на них гайками 27. Совмещают свисающие концы шпилек с отверстиями в раме тепловоза и опускают дизель-генератор. Вставить болты 50 (сечение Б-Б).

Проверить зазоры между опорными поверхностями рамы дизель-генератора и рамы тепловоза. Щуп 0,05 мм не должен проходить. Допускаются местные зазоры в 0,2 мм в местах постановки болтов и шпилек на глубине 30 мм от кромки платика и 25% длины каждой кромки. По результатам замеров подобрать регулировочные прокладки между опорными поверхностями рамы дизель-генератора и рамы тепловоза поз. 33−39 и 55−59. Толщина набора регулировочных прокладок не более 4 мм. Количество прокладок в одном наборе должна быть: толщиной 0,05мм — не более 2шт., толщиной 0,15 — не более 1шт., толщиной 0,3 мм — не более 1шт., толщиной 0,5 мм — не более 1 шт., толщиной 1 мм — не более 4шт.

Установить на раму тепловоза шайбы нажимные 42, замерить размер Т. Для обеспечения размера Т=187±1 мм подобрать набор прокладок 43,44,45.

Поднять дизель-генератор. Установить ранее подобранные регулировочные прокладки, шайбы нажимные 42, пружины 30 в сечении А-А, опустить дизель-генератор.

Проверить зазоры между опорными поверхностями рамы дизель-генератора и рамы тепловоза. Щуп 0,05 мм не должен проходить. Допускаются местные зазоры в 0,2 мм:

1) В местах постановки болтов и шпилек на глубине 30 мм от кромки платика и 25% длины каждой кромки;

2) В местах постановки нажимных шайб на глубине 15 мм и 25% периметра нажимной шайбы.

После центровки переднего распределительного редуктора произвести затяжку болтов 50 (сечении Б-Б) моментом 90−100 кгс*м с постановкой шайб 28. После затяжки произвести шплинтовку. Транспортировать ГЗП на место хранения.

Сжать пружины 30 в сечении В-В до размера 182±1 мм, закрутить на нижнее края шпилек гайки 27 с постановкой шайб 28 и зашплинтовать. Проверить размер 182±1 мм. При необходимости регулировать гайкой 27 (верхней).

Проверить высоту пружин в сечении А-А. При несоответствии значению 187±1 мм выкрутить передние болты крепления генератора, стянуть пружины и произвести необходимую корректировку комплекта регулировочных пластин. Болты крепления генератора установить на место.

Выставить упоры продольные 1 и планки распорные 5 (размеры Г-Г; Д-Д); упоры поперечные 7, планки распорные 6 (размеры Б-Б; В-В, вид Л и М). Продольный упорный набор деталей устанавливаются в плотную к раме дизель-генератора, поперечный упорный набор деталей — с зазоров 0,1−0,5 мм.

Проверить продольные и поперечные упоры поз. 1 и 7 швом Н1−15ГОСТ5264.

Проверить зазоры между рамой ДГУ и планками распорными. Планка распорная 5 должна плотно прилегать к упорной поверхности рамы ДГУ. Допускается местный зазор не более 0,2 мм. Зазор между планками распорными 6 и упорными поверхностями ДГУ должен быть в пределах 0,1−0,5 мм. Зазоры отрегулировать подбором пластин регулировочных 9−14.

Прихватить регулировочные пластины и планки распорных продольных и поперечных упорных наборов деталей к платикам упорным швом Т2−4-15/70ГОСТ5264. Регулировочные прокладки 43−45 в сечениях А-А прихватить друг к другу и к шайбам нажимным швом Т2−4-15/70 ГОСТ 5264 на длине 10−15 мм по окружности.

Рисунок 2.1 — Расположение дизель генератора на тепловозе ТЭ10МК Рисунок 2.2 — Установка дизель-генератора на раму тепловоза

3. ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СЦЕПНОЙ МАССЫ

Как было упомянуто в пункте 1 снижение или изменение коэффициента использования сцепного веса наблюдается в зависимости от оссобенностей конструкции экипажной части локомотива. В сявязи с этим существует необходимость более бодробно и широко рассмотреть эти оссобенности и рассмотреть изменение коэффициента в зависимости от выбраной конструкции.

3.1 Изменение коэффициента сцепного веса в зависимости от расположения ТЭД на раме тележки

Использование сцепного веса локомотива в значительной степени зависит от расположения тяговых двигателей на раме тележки. Двигатель можеть быть расположен за осью (рисунок 3.1, а) и перед осью (рисунок 3.1, б).

В первом случае (рисунок 3.1, а) вертикальная составляющая силы давления зуба шестерни на зуб колеса Р_З, создаваемая крутящим моментом на венце ведомого зубчатого колеса (приводящаяся к моменту и силе), будет разгружать колёсную пару. Во втором случае (рисунок 3.1, б) сила Р_З нагружает колёсную пару.

Сила Р_З будет нагружать подшипники вала (рисунок 3.1, в). Составляющая этой силы на ось и пружинную подвеску соответственно

(3.1)

. (3.2)

а) — расположение двигателя за осью по направлению движения;

б) — расположение двигателя перед осью по направлению движения;

в) — силы действующие на двигатель, расположенный за осью;

г) — силы действующие на двигатель, расположенный перед осью.

Рисунок 3.1 — Определение нагрузки на ось в зависимости от расположения тягового двигателя.

Для рисунка 3.1, г сила Р_З направлена вверх и силы Рос и Рпр также будут направлены вверх. При вращении якоря движении якоря двигателя возникает момент Мр, направленный по часовой стрелке. Равновеликий ему, но обратный по знаку момент М_С будет передаваться на остов двигателя. Этот момент (рисунок 3.1, а) будет нагружать ось силой и разгружать пружинную подвеску.

. (3.3)

Если двигатель при движении локомотива располагается за осью, разгрузка оси будет равна

. (3.4)

Если двигатель расположен перед осью (рисунок 3.2), ось будет дополнительно нагружена тоже силой. При трогании с места и следовании локомотива по подъему величина может быть значительной. Для тепловоза ТЭ3 .

При движении локомотива по направлению стрелки (рисунок 3.2, а) оси 3,5 и 6 будут иметь перегруз, равный, а оси 1,2,4 — недогрузку той же величины. Силы тяги на сцепке локомотива F_с создает момент

. (3.5)

нагружающий заднюю тележку и разгружающий переднюю. Одновременно на подрессоренную часть локомотива действует момент за счёт усилий, передаваемых на кронштейн пружинных подвесок.

Для тяговых двигателей 2 и 3 осей (рисунок 3.2, а), а также 4 и 5 при малом расстоянии m усилия на кронштейны между этими осями можно считать уравновешенными и момент от изменения нагрузки на пружинные подвески считать равным

. (3.6)

Разность моментов будет изменять нагрузку на рессоры передней и задней тележек. При сбалансированном рессорном подвешивании величина будет равна

. (3.7)

а) — Расположение двигателей для тепловозов 2ТЭ10Л старой постройки б) — Расположение двигателей для тепловозов 2ТЭ116 и 2ТЭ10Л новой постройки Рисунок 3.2 — Дополнительные силы при движении тепловоза определяет вес, ограничивающий сцепную силу тяги локомотива.

Наименьшая нагрузка оси на рельсы

. (3.8)

На тепловозах более поздней постройки (2ТЭ10М, 2ТЭ116 и др.) применено одностороннее («гуськовое») расположение тяговых электродвигателей (рисунок 3.2, б) в комбинации с индивидуальным рессорным подвешиванием. При движении локомотива главная рама тепловоза наклоняется на угол ф, как показано на рисунке 3.2, б, и поэтому нагрузки на пружины будут приблизительно пропорциональны расстояниям от центра тяжести локомотива.

Если дополнительную нагрузку передней колёсной пары от результирующего момента обозначить то нагрузка на вторую колёсную пару будет

(3.9)

соответственно на третью

. (3.10)

Соответствующие разгрузки 6,5,4 колёсных пар будут по величине одинаковы с, ,_. Результирующий момент определяется

. (3.11)

Статические нагрузки на рельсы от каждой колёсной пары определяются из схемы (рисунок 3.2, б)

(3.12)

При «гуськовом» расположении двигателей минимальная статическая нагрузка на рельсы оказывается больше, чем при смешанном расположении, т. е. при Р_ст=21,6тс, наименьшая нагрузка на рельсы от третьей колёсной пары при «гуськовом» расположении ТЭД составляет, а для смешанного расположения ТЭД при той же нагрузке .

Используя выше перечислинные соотношения, определяем коэффициент сцепного веса

(3.13)

Для «гуськового» расположения ТЭД коэффициент использования составит, а для смешенного

При сравнительных испытаниях тепловозов серии 2ТЭ10Л с разными тележками было установлено, что величина коэффициента использования сцепного веса для тепловоза и челюстной тележки повысилась на 10%. При сбалансированном рессорном подвешивании коэффициент использования сцепного веса для бесчелюстной тележки был бы ещё выше.

Итак, становится понятным тот факт, что комплекс факторов изложеных в пункте 1 и данные полученные в пункте 3.1 указывают на то, что коэффициент сцепного веса прямопропорционально зависит от всех конструктивных особенностей экипажной части и изменяется в той или иной степени опять же в зависимотси от конструкции. Видно, что относительно новая конструкция тележек и применение других способов расположения ТЭД в значительной степени влияют на коэффициент использования сцепного веса. [4]

3.2 Расчёт коэффициента использования сцепного веса грузовых тепловозов с колёсной характеристикой типа 3о-3о

Большинство отечественных грузовых тепловозов имеет колёсную характеристику типа 3о-3о. Это позволяет производить унификацию тележек грузовых локомотивов, но при этом следует выбрать наиболее рациональную конструкцию Одним из наиболее существенных показателей качества конструкции тележки является коэффициент использования сцепного веса, который определяется из выражения

(3.14)

где — наибольшее снижение давления колёсной пары на рельс.

Из этого выражения следует, что для разгруженных колёсных пар вк<1 и с возрастанием происходит его уменьшение.

Чем ближе значение вк к единице, тем удачнее конструкция локомотива. Поэтому при проектировании производится сравнение расчётных значений КИСВ и предпочтение отдаётся тому варианту, для которого значение вк является наибольшим.

Уменьшение давления некоторых колёсных пар на рельс возникает под влиянием силы тяги F и зависит от ряда конструктивных элементов тележек. Основное влияние на величину вк оказывает расположение тяговых двигателей, схема рессорного подвешивания и расстояние между серединами тележек.

Для того, чтобы показать влияние конструктивных элементов на величину, необходимо преобразовать выражение (3.14)

(3.15)

где К — коэффициент конструкции, учитывающий влияние перечисленных частей тележки и тепловоза на величину вк;

F — сила тяги, развиваемая одной колёсной парой.

Сила тяги F может быть представлена в виде

(3.16)

где Ш — коэффициент сцепления.

Если представить выражения (2.15) и (2.16) в (2.14), то КИСВ будет равен

. (3.17)

Выражение (3.17) определяет вк в зависимости от коэффициента конструкции локомотива К.

Разгруз некоторых колёсных пар под влиянием силы тяги F всегда сопровождается перегрузом других. В этом случае для перегруженных колёсных пар и К меняют знаки, а вк становится больше единицы.

Для тепловозов типа 3о-3о в соответствии со схемой (рисунок 3.1, а) вертикальная составляющая Р₃, создаваемая вращающим моментом якоря ТЭД на венце ведомого зубчатого колеса, определяется суммой моментов сил относительно оси колеса

(3.18)

где D — диаметр колеса по кругу катания.

Следовательно

(3.19)

Сила Р_З создаёт вращающий момент, приводящий в движение локомотив, и кроме того, разгружая колёсную пару, входит как составляющая в выражение для .

Согласно схеме (рисунок 3.1, в) на ось колёсной пары и на пружинную подвеску ТЭД будут передаваться составляющие Рс реактивного момента М_р= Рз*г

(3.20)

Отсюда в соответствии с выражением (3.4)

(3.21)

а с учетом (3.19)

(3.22)

На раму тележки действует сила Рпр-Рс=Zр, которое равна

(3.23)

После подставки значения (3.19) в выражение (3.23)

(3.24)

Таким образом, силы и Zр одинаковы по модулю, но направлены в разные стороны.

Давление колёсной пары на рельсы будет изменяться не только под влиянием сил и моментов, действующих на систему колёсная парадвигатель. Изменение давления колёсной пары на рельс зависит так же от сил, действующих на кузов тепловоза и рамы тележек.

Кузов грузовых тепловозов опирается на рамы тележек при помощи роликовых опор. Опоры расположены радиально относительно шкворня тележки и не позволяют поворачиваться рамам тележек относительно кузова в вертикальной плоскости. Это даёт возможность в данном расчёте считать системы кузов и рамы тележек неизменной и рассматривать их как одно твёрдое тело.

Под влиянием силы сопротивления состава 6 °F и силы тяги F, действующих со стороны каждой колёсной пары на рамы тележек, образуется момент 6F (H-D/2). Под влиянием этого момента, образованного силами Zр, кузов подвернётся вокруг некоторой горизонтальной поперечной оси. Это приведёт к частичной разгрузке рессор передней тележки и нагрузит рессоры задней тележки. При этом в рессорном подвешивании появятся реакции и, действующие на систему кузов-рама тележек (рисунок 3.3).

Условия равновесия системы кузов-рама

(3.25)

(3.26)

Из данного уравнения, учитывается, что при симметричном относительно середины тепловоза расположении двигателей всегда равно нулю, видно, что =.

Рисунок 3.3 — Схема тепловоза с колёсной характеристикой типа 3о-3о Из уравнений следует, что

(3.27)

Изменение реакций рельса, показанных на рисунке 3.4, под первой колёсной парой и остальными

(3.28)

Рисунок 3.4 — Схема давлений и изменения реакций рельса То же для задней тележки

(3.29)

Если подставить в выражение для и значение Q₁/3 и, то изменение реакции рельса будет равна:

Под 1-й и 2-й колесными парами

(3.30)

под 3-й колесной парой

(3.31)

Отсюда, учитывая выражение (3.15), коэффициенты К₁, К₂ и К_з равны

(3.32)

(3.33)

Учитывая, что Н=1,055 м и D=1,05 м, т. е. Н? D, видно, что второй член в выражениях и больше первого и, следовательно, <0. Это значит, что третья по ходу колёсная пара не будет разгружаться, а получит дополнительную нагрузку силой

Для определения изменение реакции рельса под 4, 5 и 6 колёсными парами, необходимо также произвести подстановку значений Q₂ и в выражение (3.23)

(3.34)

(3.35)

Соответственно коэффициенты конструкции для 4, 5 и 6 колёсных пар определяется как

(3.36)

(3.37)

Так как вторые члены в выражениях для и К₄ больше первых, то >0 и К₄>0. Это значит, что изменение реакции рельса, показанное на рисунке 4, соответствует раз грузу 4 колёсной пары.

Отрицательные значения, , К_{5 ,} К₆ показывают, что пятая и шестая колёсные пары будут дополнительно нагружаться за счёт разгруза первых колёс.

В первом случае, когда все двигатели расположены подвесками к середине тепловоза (рисунок3.5, а).

Уравнения равновесия кузова с рамами тележек имеют вид

(3.38)

(3.39)

Если преобразовать выражение (3.38) с учётом того, что-то реакция рессорного подвешивания Q₁ будет равна

(3.40)

Из рисунка 3.4 видно, что поэтому изменение реакции рельса под 1 рапой равно

(3.41)

а) — одностороннее расположение ТЭД подвесками к середине тепловоза; б) — одностороннее расположение ТЭД подвесками от середины тепловоза Рисунок 3.5 — Схема расположения ТЭД Так как сбалансированное рессорное подвешивание приводит к одинаковому воздействию кузова на каждую колесную пару, т. е. к Q₁/3 а значения и направления одинаковы для каждой колёсной пары, то

Во втором случае, когда двигатели расположены наоборот (рисунок 3.5, б), условия равновесия кузова будут определяться следующим образом

(3.42)

(3.43)

Решением уравнения (3.42) относительно Q₁ является

(3.44)

Тогда равно

(3.45)

Если сопоставить значения в выражениях (3.30), (3.41) и (3.45), можно установить, что «гуськовое» расположение ТЭД приводит к меньшим изменениям давления колёсной пары на рельс и является более желательным

Для оценки полученных результатов необходимо произвести подстановку величин Н=1,055 м; D=1,05 м; В=8,6 м; а=0,93 м; b=1.17м; а+b=2,1 м в выражения (3.32),(3.36),(3.41),(3.45).

Выражение (3.32)

Выражение (3.36)

Коэффициенты для двух последних вариантов (3.41),(3.45)

Соответственно определяются коэффициенты использования сцепного веса. Для существующего расположения тяговых двигателей

(3.46)

Для «гускового» расположения тяговых двигателей Для более наглядного сравнения рассматриваемых величин сводим их в таблицу 3.1.

Расчет представленый в таблице 3.1 в очередной раз подтверждает то, что расположеник тяговых электродвигателей значительно влияет на КИСВ. Поворот только одного двигателя каждой тележки улучшает лишь для той колесной пары, на которую он опирается. Однако это улучшение для одной колесной пары приводит к заметному ухудшению для другой колесной пары этой же тележки и кроме того вызывает значительную разгрузку четвертой по ходу колесной пары.

Таблица 3.1 — Значение коэффициентов К и грузовых тепловозов типа 3о-3о в зависимости от расположения ТЭД

Как видно «гуськовое» расположение тяговых двигателей позволяет уменьшить длину тележки и увеличить размер В. Уменьшение длины тележек приводит к уменьшению момента инерции массы тележки относительно ее шкворня, что может вызвать уменьшение горизонтального воздействия на путь тележек. Возрастные размеры В явно ведет к улучшению коэффициента использования сцепного веса. [3]

3.3 Определение коэффициента использования сцепного веса тепловоза 2ТЭ10М

Задача заключается в определении нагрузки от колес тепловоза на рельс при его движении с учетом основных возникающих усилий. Для этого необходимо создать расчетную математическую модель экипажной части тепловоза (рисунок 3.6), которая необходима для упрощения математических расчетов и в тоже время позволит получить приемлемые результаты.

I, II, III, IV, — идеальные пружины верхней ступени рессорного подвешивания; 1−6 — идеальные пружины нижней ступени рессорного подвешивания; О — центр жесткости кузова; a, bрасстояние осей пружин верхней ступени от центров жесткости нижней ступени; - расстояние осей пружин нижней ступени от центров жесткости; L — «плечо» тягового электродвигателя; - расстояние от оси автосцепки до головки рельса; - расстояние от точки шкворня кузова, в который приложено тяговое усилие, до головки рельса; 2Б — расстояние между центрами жесткости тележек; 2В — расстояние между наружными опорами кузова на тележки; 2А — расстояние между внутренними опорами кузова на тележке; - диаметр колеса по кругу катания; - момент силы тяги; - моменты, действующие соответственно на рамы передней и задней тележек.

Рисунок 3.6 — Схема тепловоза с необходимыми для расчета КИСВ размерами Для упрощения расчетов применительно к экипажу, введены некоторые допущения:

— тележки экипажа полностью симметричны относительно общей поперечной плоскости симметрии локомотива;

— жёсткости пружин I, II, III, IV, верхней ступени подвешивания одинаковы. (Это допущение не всегда соответствует частному случаю конструктивному выполнению экипажной части локомотива, так как попарно пружины могут иметь разную жёсткость (=?=). Тем не менее, оно не вносит никаких изменений и ограничений ни в предпосылки, ни в результаты выполненного анализа. Это объясняется следующим: при выбранных параметрах нижней ступени подвешивания и расположении (т.е. размерах, а и b) пружин верхней ступени, жёсткость последних определяется из условия равенства статических нагрузок от колёсных пар на рельсы в пределах тележки. В случае различной жёсткости пружин верхней ступени подвешивания на тележке их всегда можно заменить эквивалентной системой пружин одинаковой жёсткости, но с другими координатами (а и b). Но в реальных условиях часто пружинные элементы второй ступени, представленные резинометаллическими опорами, могут иметь абсолютно различную жёсткость, в таком случае выше изложенное допущение нельзя применять;

— размеры На И Н_Ш постоянны. (Это допущение не соответствует действительности, так как На И Н_Ш изменяются в результате вертикальных перемещений обрессоренных частей экипажа при реализации локомотивом силы тяги. Погрешность, вносимая этим допущением, столь незначительна, что ею можно пренебречь);

— отсутствует трение в рессорном подвешивании и в головке автосцепки. (Сделанное допущение тем более возможно, что вызываемая им незначительная погрешность может быть сведена к минимуму включением трения в жёсткость пружин, Т. е увеличением жесткости на усреднённую поправку) При реализации локомотивом силы тяги рамы обеих тележек и кузов будут испытывать ряд дополнительных нагрузок, в число которых входят касательная сила тяги, реакции в подвесках ТЭД, вызываемые их реактивными моментами, усилия и моменты догружающих устройств. Под действием этих нагрузок рамы тележек и кузов получают перемещения, каждое из которых можно разложить на два элементарных составляющих перемещения, каждое из которых — поступательное, при котором кузов или рама тележки сохраняют параллельность начальному положению, и угловое относительно некоторого центра поворота, лежащего в плоскости торцов пружин, за которой принимается центр жесткости. [10]

В соответствии с изложенным, перемещение обрессоренных узлов раскладывается следующим образом (рисунок 3.7)

Рисунок 3.7 — Схема перемещений кузова и рам тележек локомотива при приложении силы тяги Кузов: вертикальное перемещение h_K и угловое в. Центр поворота — точка О. Рама передней тележки: вертикальное перемещение h₁ и угловое 01. Центр поворота — точка 01 (центр жёсткости передней тележки, под которым понимается точка приложения силы, когда упруго опёртое тело будет получать только поступательное перемещение вдоль направления данной силы).Рама задней тележки: вертикальное перемещение h₂ и угловое б_2.

Центр поворота — точка О₂ (центр жёсткости задней тележки). Перемещения рамы передней тележки h₁ и задней h₂ равны между собой по абсолютной величине и противоположно направлены так как, суммарные жёсткости обеих тележек являются одинаковыми на основании двух положений:

— изменение суммарной нагрузки от колёсных пар тележки на рельсы определяется только величиной вертикального смещения и жёсткостью нижней ступени подвешивания. Угловые перемещения (б₁ и б₂) рам относительно центров жёсткости вызывают только перераспределение нагрузок от колёсных пар на рельсы в пределах тележек, не изменяя суммарной нагрузки каждой тележки; - приращение нагрузки на рельсы от передней тележки (в целом) равно и противоположно по знаку приращению нагрузки от задней тележки, так как сумма нагрузок от колёсных пар по всему локомотиву равна его весу и, следовательно, является величиной постоянной. Реакция колеса, вызванная воздействием ТЭД и колёсную пару определяется по формуле

(3.47)

Запишем уравнения равновесия для кузова, при действии на него в опорах R₁-R₂. представленных упругими элементами, уравнения моментов от силы тяги на автосцепке, а также передачи этой силы в шкворневом узле:

2(h₁+h₂)-2 В (В+А)+(б₁+б₂)(а-b)=0, (3.48)

Ж₂(В+А)[(h₁-h₂)-2(h_к+вС)]+СЖ₂[2(h₂+h₁)-(b-a)(б₁+б₂)]+

+Ж₂(bB-aA)(б₂+б₁)-6F (Н_а-Н_ш)=0. (3.49)

На первую тележку действуют силы от деформации первой и второй ступеней (R₁-R_з, R1-R_II) и реакции R_д в подвесках ТЭД к раме. На первой тележке, сила R_д направлена вверх, т. е. догружается буксовое подвешивание; на второй тележке — вниз.

Момент от силы тяги в шкворневом узле определяется как М=3F_к(Н_а-г_к). (3.50)

Указанные силы и момент вызовут перераспределение обрессоренных нагрузок колёсных пар на рельсы. К этим нагрузкам добавляются силы ±В, действующие непосредственно на неподрессоренную колёсную пару через зубчатую передачу.

Зная перемещения и задаваясь жёсткостью упругих элементов, находим дополнительные (к статическим) силы в первой и второй ступенях рессорного подвешивания:

— первая ступень (пружины рессорного подвешивания)

R₁= Ж₁(h₁— б₁ d₁), R₄= Ж₁(h₁— б₁ d₄),

R₂= Ж₁(h₁— б₁ d₂), R₅= Ж₁(h₁— б₁ d₅), (3.51)

R₃= Ж₁(h₁— б₁ d₃), R₆= Ж₁(h₁— б₁ d₆),

— вторая ступень (опоры кузова)

R_I= Ж₂(h_к+вВ-h₁б₁b),

R_II=Ж₂(h_к+вВ-h₁б₁b), (3.52)

R_III= Ж₂(h_к+вВ-h₂б₂b),

R_IV= Ж₂(h_к+вВ-h₂б₂b).

При этом деформация принимается положительной, если пружина удлинилась в сравнении со статическим состоянием, и отрицательной, если произошло сжатие.

Отсюда находим, что коэффициент использования сцепного веса тепловоза определяется как отношение статической нагрузки (с учётом дополнительных сил, найденных по расчёту) к самой статической нагрузке

(3.53)

где — нагрузка на рельсы от наиболее разгруженной колёсной пары, кгс. [4]

3.4 Новые представления о тяговых свойствах подвижного состава Сейчас проблема повышения тяговых свойств подвижного состава не стоит так остро, как раньше при вождении тяжеловесных грузовых поездов, однако остается актуальной. Одной из важных оценок тяговых свойств ПС является его устойчивая работа на пределе по сцеплению колес с рельсами. Во всех странах она определяется кривой ограничения коэффициента сцепления в зависимости от скорости движения. За последние 40 — 50 лет благодаря применению передовых методов вождения поездов, совершенствованию конструкции ПС удалось поднять кривую ограничения коэффициента сцепления и повысить на 10- 15% использование тяговых свойств локомотивов.

В настоящее время коэффициент сцепления Ш определяют как отношение касательной силы РСЦ на ободе колеса к нагрузке от оси на рельс РО Ш=F_СЦ/Р_О. (3.54)

Однако ни у нас, ни за рубежом величину касательной силы на ободе колеса еще никому не удалось определить экспериментально: ее устанавливают косвенно по силе, образованной вращающим моментом тягового двигателя. Образование силы тяги на колесной паре и силы сцепления можно проследить по схемам.

Вращающий момент М на колесной паре, вызванный в зубчатой передаче одной-единственной силой F_зк и равной произведению F_зк. R_зк, ошибочно представляется парой сил F_K (рисунок 2.8), одна из которых приложена к ободу колеса, а другая, неизвестно откуда взявшаяся, приложена к центру колеса в точке О.

Рисунок 3.8 — Схема образования силы тяги по старой теории Неизвестная сила F_K, приложенная в центре колеса, «образована» с единственной целью — соблюсти третий закон Ньютона о равенстве действующих и противодействующих сил и направленных не только в противоположные стороны, но и действующие по одной линии.

Фактически на подвижном составе сила F_K, приложенная к оси колеса, отсутствует. Такая сила есть на гужевом транспорте и передается, например, при конной тяге, на ось колеса с помощью оглоблей, дышла и т. д. На самодвижущихся экипажах внешняя сила приложена не к оси колеса, а к его ободу: на паровозе — с помощью дышла; на ПС — с помощью шестерни, насаженной на вал тягового двигателя; на автотранспорте — с помощью шестерни карданного вала и шестерен полуосей. На локомотивах снепосредственным приводом внешняя сила приложена не к оси колеса, а к якорю тягового двигателя. Ошибочное представление вращающего момента на колесе в виде пары сил, одна из которых приложена к оси, привело к ошибочным теориям определения силы тяги, касательной силы на ободе колеса и коэффициентов сцепления колеса с рельсами. Следует отметить, что на самодвижущихся экипажах внешние силы, передаваемые на колесо от дышла, шестерни, карданного вала, проводников якоря, цепной передачи — внешние по отношению к колесу они являются первопричиной движения: сила сцепления колес с рельсами или землей является противодействующей силой, Т. е. реакцией на действующую силу. Сила тяги F_TK определяется как сумма двух сил: силы F_зк, образованной вращающим моментом тягового двигателя и приложенной к зубчатой передаче, и силы сцепления F_сц колеса с рельсом

F_TK = F_зк + F_сц. (3.55)

Приведенные схемы образования силы тяги на колесе были проверены на физических моделях (рисунок 3.10, 3.11).

Рисунок 3.9 Схема образования силы тяги по новой теории Рисунок 3.10 Физическая модель для определения силы тяги Рисунок 3.11 Физическая модель для определения силы сцепления За основу была взята колесная пара с основными параметрами: диаметр бандажа 1050 мм, диаметр зубчатого колеса 750 мм, масса 1950 кг Чтобы измерить силу, приложенную к внешнему диаметру зубчатого колеса F_TK, и силу сопротивления движению W воспользовались динамометрами. Для их крепления применили капроновый трос. В таблице3.2 приведены опытные и расчетные значения сил F_зк и F_TK = W для старой (см. рисунок 3.8) и новой (см. рисунок 3.9) схем образования силы тяги. Сила F_K, приложенная к оси колеса (см. рисунок 3.8), не имитировалась, так как на ПС она отсутствует.

Таблица 3.2 — Опытные данные и расчётные значения F_зк и F_TK

Сравнение расчетных значений силы тяги на колесной паре F_TK = W по старой теории с опытными показывает, что опытные значения практически в 2 раза больше расчетных. Это указывает на то, что теории образования силы тяги на колесной паре, ошибочны.

Для новой теории образования силы тяги на колесной паре опытные и расчетные значения силы тяги F_TK =W практически совпадают в пределах точности измерений, что подтверждает правильность новой теории образования силы тяги на колесе.

На физической модели (см. рисунок 3.11) можно определять силу сцепления колеса с рельсом. Для этого колесная пара 1 устанавливается на отрезках рельсов тележки 3. Колеса 4 тележки располагаются на рельсах 5. Чтобы измерить силу сцепления колесной пары 1 с рельсом 2, кроме динамометров Д₁ и Д₂ применяют прибор Д₃, связанный с тележкой и опорой капроновыми тросами в точках К и N.

При регулировании величины силы F_зк, измеряемой динамометром Д₁ тележка 3 стремится откатиться в сторону, противоположную движению. При этом образуется сила сцепления F_сц колесной пары с рельсами 2, измеряемая динамометром Д₃. Сила тяги, образующаяся на косесной паре, будет равна силе сопротивления движению:

по новой теории F_TK =W= F _ЗKз +F_СЦ;

по старой теории F_TK =W= F_СЦ.

Испытания по определению силы тяги, силы сцепления и силы сопротивления движению были проведены на модели колесной пары 6 (диаметр бандажа — 150 мм, диаметр зубчатого колеса — 100 мм, масса 15 кг). Их цель — определение соотношения сил по старой и новой теориям АПИ образовании силы тяги на модели колесной пары. Результаты испытания приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 — Результаты испытаний физической модели

Сравнение данных по определению силы тяги F_TK =W на модели колесной пары показывает, что ее опытные и расчетные значения по новой теории практически совпадают, по старой теории — отличатся в 2 разе. Предлагаю при тяговых расчетах для ПС определять не коэффициент сцепления колес с рельсом, а коэффициент тяги, зависимость которого от скорости движения вычислять по формуле

(3.56)

где V-скорость движения, км/ч;

R_б — радиус бандажа ходового колеса, мм;

R_ЗК — радиус зубчатого колеса редуктора, мм.

На рисунке 3.12 показаны зависимости коэффициента тяги и коэффициента сцепления определяемого по формуле

(3.57)

Сравнение зависимостей и расчета свидетельствуют, что для разных типов ПС на 17−25% больше коэффициента сцепления коэффициент тяги. На эту величину повышается и использования силы тяги ПС.

В то же время факт признания новой теории требует обязательного признания ее основных положений:

— внешняя сила F_ЗК, образования в зубчатой передаче и приложения от шестерни тягового двигателя к зубчатому колесу колесной пары, определяется формулой

(3.58)

где М — вращающий момент тягового двигвтеля;

— радиус шестерни.

— внешняя сила по новой теории в 2 раза меньше, чем по старой теории;

— коэффициент сцепления колес с рельсами в два раза меньше, чем это считается в настоящее время и равен коэффициенту трения скольжения стальных колес по стальным рельсам;

— для ПС необходимо определить не коэффициент сцепления, а коэффициент тяги ;

— результаты исследований, проводимых с 1852 года по определению величины коэффициентов сцепления у нас и за рубежом, является ошибочным, но могут быть использованы при условии уменьшения коэффициентов сцепления в 2 раза.

Итак, на основе всего вышеперечисленного, при модернизации тепловозов на УЛРЗ проблему повышения тяговых качеств тепловоза можно решить путем усовершенствования технологии развески, для правильного распределения нагрузок. [2]

Рисунок 3.12 — Зависимости коэффициентов тяги и сцепления от скорости движения.

4. РАЗМЕЩЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ НА ТЕПЛОВОЗЕ

4.1 Общие принципы размещения оборудования на тепловозе

На основании технического задания на проектирование тепловоза с указаниями назначения и основыных требований, которым он должен соответствовать, определяют конструкцию его основных узлов: рамы, кузова, дизеля и передачи, тележки, а также вспомогательного оборудования.

В РФ тепловозы строят серийно на специализированных заводах с использованием передовых технологий. Накоплен богатый опыт проектирования, постройки и эксплуатации тепловозов. Имеется достаточное количество хорошо отработанных, проверенных многолетней эксплуатацией узлов, таких как дизели, электрические машины, тележки, осевые редукторы, гидравлические передачи и элементы трансмиссии, секции холодильников и др. Это способствует внедерению унификации и стандартизации тепловозного оборудования.

Применение унифицированных, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации узлов сокразщает сроки проектирования, промышленного освоения и начала серийного производства новых тепловозов, облегчает условия их эксплуатации, работают более надежно. Поэтому при создании новых тепловозов необходимо стремиться к использованию освоенного промышленностью оборудования, отвечающего современным требованиям. Вместе с тем, при проектировании новых тепловозов следует обязательно учитывать тенденции развития отечественного и зарубежного тепловозостроения и качественно исследовать новые технологии для последующего их внедерения. Таким примером может являтся тепловоз 2ТЭ25А, в котором применена передача мощности переменно-переменного тока.

После основательного выбора основного оборудования приступают к компоновке его на тепловозе. При размещении оборудования необходимо добиваться:

— равномерности нагрузки движущих осей тепловоза, обеспечивающей реализацию силы тяги;

— удобство монтажа и демонтажа;

— доступность и безопасность его обслуживания;

— компактность;

— простоты конструкции и наджености работы вспомогательных механизмов, приводов и обслуживающих систем;

— обеспечения оптимальных условий работы обслуживающего персонала;

— современной внешней формы тепловоза, отвечающей требованиям промышленной эстетики.

Ввиду противоречивости некоторых требований, предъявляемых к компоновке оборудования на тепловозах, прогрессивного развития конструкций, разнообразия тепловозов по мощности, конструкционной скорости и назначению, нельзя полностью стандартизировать размещение оборудования. [10]

4.2 Анализ компоновок различных тепловозов

Анализ компоновочных схем различных тепловозов позволяет выявить некоторые общие закономерности. По типу компоновки оборудования все тепловозы можно разделить на две группы: с симметричным и несимметричным расположением основного оборудования в отношении поперечной оси.

Симметричное расположение оборудования, при котором легче достигнуть равномерного распределения нагрузок между ведущими осями, характерно для односекционных тепловозов с двумя дизелями в секции, а также с одним дизелем при двустороннем отборе мощности для целей тяги.

Несимметричное расположение оборудование характерно для тепловозов, которые проектируются как двухсекционные или для односекционных теловозов с одним дизелем при одностороннем отборе мощности.

При одном дизель-генераторе его размещают в средней части кузова, что облегчает задачу равномерного распределения веса оборудования по тележкам. При проектировании тепловоза такое расположение дизель-генератора в кузове позволяет легко корректировать распределение нагрузок его смещением на небольшую величину в ту или другую сторону вдоль кузова. В поперечном сечении оси симметрии дизеля и кузова совмещают.

Если силовых установок две, что чаще бывает у магистральных тепловозов с гидравлической передачей, то их размещают симметрично относительно поперечно плоскости симметрии тепловоза с гидравлическими передачами, обращенными к этой плоскости. Кроме равномерного распределения веса по тележкам, этим достигают использования одинаковых элементов трансмиссии в обеих силовых установках.

Вспомогательное оборудование относительно дизеля располагают так, чтобы все приводы были проще по конструкции, наиболее коротки и содержали минимальное число звеньев. Системы воздухоснабжения и выпуска отработавших газов дизеля проектируют так, чтобы они были, возможно, короче и имели небольшое аэродинамическое сопротивление. Места для всасывания атмосферного воздуха и выпуска отработавших газов из дизеля располагают так, чтобы исключить попадание отработавших газов в воздух, поступающий в дизель, холодильник, систему охлаждения электрических машин кабину машиниста и окна вагонов. На выпуске устанавливают глушитель-искрогаситель.

Водяной, масляный и топливный трубопроводы также необходимо сделать по возможности короче. В настоящее время тепловозные дизели оборудую смонтированными на них водомаслянными теплообменниками и маслянными фильтрами, что сокращает длину маслопроводов.

Расположение охлаждающего устройства на тепловозах в значительной степени обусловлено конструкцией привода вентиляторов. В случае применения мехаических приводов необходимо стремиться к уменьшению длины валопроводов, что способствует снижению шумов, вибраций и т. д. Самым удачным способом можно считать тот способ, где применена более простая конструкция, с меньшими затратами валопроводов. Это повышает надежность узла в целом.