Совершенствование клиноременного привода вагонного генератора от средней части оси колесной пары

Современные пассажирские, почтовые, багажные и ряд специализированных (вагоны-рестораны, дизельные вагоны рефрижераторных секций и др.) вагонов оснащены энергоемким электрическим (радиотелевизионным, холодильным и т. п.) оборудованием. Электрическая энергия используется для отопления и вентиляции помещений вагона, освещения, питания диагностической аппаратуры, приведения в действие различных устройств и приборов (экологически чистых туалетов, обеззараживателей питьевой воды, пылесосов и т. д.), повышающих комфорт для пассажиров и облегчающих условия труда поездной бригады. Системы электроснабжения указанных вагонов в зависимости от способа обеспечения электрической энергией внутривагонных потребителей делятся на две группы: системы индивидуального и централизованного электроснабжения [3, 44].

При централизованном электроснабжении потребители электроэнергии, установленные на вагонах поезда, получают питание от общего источника тока — вагона-электростанции с дизель-генераторами или от специального преобразователя, питающегося от контактной сети напряжением 3000 В постоянного тока или 25 000 В переменного тока через токоприемник электровоза. Для передачи электрической энергии к потребителям, вагоны и локомотив оборудуются соответствующими электромагистралями. Такая система электроснабжения в нашей стране применяется в скоростных поездах, таких как «Аврора» и «Невский экспресс» на Октябрьской железной дороге. Централизованная система электроснабжения с питанием от контактной сети через локомотив всех потребителей пассажирских и почтовых вагонов требует создания сложных полупроводниковых преобразователей с регулированием выходного напряжения и частоты. Все это приводит к усложнению электрооборудования железнодорожного состава и не обеспечивает универсальности использования вагонов на различных направлениях движения.

В связи с вышесказанным в настоящее время на железных дорогах России наибольшее распространение получила индивидуальная система электроснабжения пассажирских и почтовых вагонов, которая является более предпочтительной по сравнению с централизованной. Вагон с индивидуальной системой электроснабжения обладает большей маневренностью при формировании поездов, сравнительной простотой конструкции и обслуживания в эксплуатации, а также имеет более высокую надежность системы электроснабжения поезда.

Индивидуальная система электроснабжения, как известно, включает в себя генератор с приводом от оси колесной пары и аккумуляторные батареи. Наиболее сложным вопросом при разработке такой системы является создание простого по конструкции и надежного в эксплуатации привода вагонного генератора. Это объясняется тем, что конструкция привода должна отвечать жестким требованиям, вытекающим из реальных условий эксплуатации на железных дорогах, и особенностям установки привода на вагоне [64]. Все это привело к тому, что на железных дорогах России эксплуатируется большое количество различных конструкций приводов вагонных генераторов, которые условно можно разделить на три типа.

К первому типу относятся плоскоременные приводы от средней части оси колесной пары. Такой привод был разработан для генераторов типа РД, ГСВ и «Газелан» и в настоящее время для вагонов пассажирского парка не применяется. Он состоит из разъемного ведущего шкива, закрепленного на средней части оси колесной пары, плоского разъемного ремня, малого ведомого шкива, установленного на валу генератора, натяжного пружинно-винтового устройства и кронштейнов для шарнирной подвески генератора к раме вагона.

Многолетняя эксплуатация указанного привода выявила его ограниченную тяговую способность, вследствие недостаточного сцепления ремня со шкивом, а также малый срок службы самого ремня, вследствие значительных перенапряжений от начального натяжения и изгиба на ведомом шкиве. Недостаточная тяговая способность не позволяет получать за выпрямителем мощности более 3,5 кВт, что является недопустимым для удовлетворения нужд современного вагона.

Ко второму типу относятся редукторно-карданные (РК) приводы. Мощность этих приводов находится в пределах от 4,5 до 39 кВт, причем, приводы меньшей мощности приводятся во вращение от торца оси, а большей — от средней части колесной пары. В первом случае генератор расположен на раме тележки, а во втором — на раме кузова вагона. Приводы этого типа получили широкое распространение и в настоящее время ими оборудовано около 35% вагонов отечественного пассажирского парка. Конструкция этих приводов, относящихся ко второму типу, подробно описана в работе [93].

К третьему типу относятся приводы с клиноременной передачей. Разработаны и введены в эксплуатацию текстропно-редукторно-карданный (ТРК) привод от торца оси колесной пары, которым было оборудовано около 30% пассажирских вагонов и новый текстропно-карданный привод (ТК), которым вагоны оборудуются в настоящее время и их число превышает 35% вагонов всего парка. Мощность систем электроснабжения с приводами ТРК и ТК составляет 8 кВт в длительном режиме со скорости 40±3 км/ч и 9 кВт в часовом режиме начиная со скорости 50 км/ч.

Освоение производства пассажирских вагонов с кондиционированием воздуха потребовало увеличение мощности системы электроснабжения до 32 кВт. В настоящее время этим требованиям соответствует только редукторно-карданный привод от средней части оси колесной пары типа WBA-32 производства фирмы «Flender» (Германия) или его отечественные аналоги. Масса привода вместе с генератором составляет около 1750 кг, стоимость более 30 ООО долларов США. Его надежность ниже надежности привода ТК, а эксплуатация требует высокой квалификации обслуживающего персонала, специального ремонтного и диагностического оборудования, что приводит к существенным затратам эксплуатационных и ремонтных служб ОАО «Российские железные дороги» (РЖД).

В связи с этим ЗАО, НО «Тверской институт вагоностроения» (ТИВ) и ОАО «Тверской вагоностроительный завод» (ТВЗ) провели комплекс работ по разработке нового привода повышенной мощности. На основании кинематического анализа за основу был взят клиноременный привод от средней части оси колесной пары с генератором мощностью 16−19 кВт, размещенном на раме тележки. Выбору такой схемы способствовали успехи резинотехнической и электромашиностроительной промышленности. Новый привод получил обозначение ТСО-16Т, его принципиальная конструктивная схема которого показана на рис. 1.

Этот привод состоит из ведущего шкива 1 диаметром 585 мм, установленного на средней части оси колесной пары, и ведомого шкива 2 диаметром 205 мм, установленного на хвостовике ротора генератора. Генератор 3 с помощью шарнирной подвески 4 устанавливается на концевой балке 5 рамы серийной пассажирской тележки. Привод оснащается клиноременной передачей 6, состоящей из 6 клиновых ремней сечения С с расчетной длиной 3200 мм. Натяжение передачи осуществляется пружинно-винтовым натяжным устройством с усилием натяжения 4,5 кН. Кроме того, на случай экстренной замены ремней при остановках в пути следования предполагается использовать разъемные ремни типа «Rocon» производства фирмы «Roulunds Fabriker» (Дания), которые в количестве 2−3 комплектов хранятся в штабном вагоне у поездного электромеханика. Таким дублированием, при экстремальных ситуациях, полностью исключается необходимость отцепки вагона из состава поезда и выкатки тележек до очередного планового технического обслуживания (ТО-3). Для обеспечения системы электроснабжения пассажирского вагона электроэнергией мощностью 32 кВт предполагается подкатка 2-х тележек, оборудованных клиноременным приводом ТСО-16Т. Разработанный привод обладает следующими преимуществами:

— схема привода проста вследствие отсутствия таких сложных узлов, как карданный вал, редуктор, элементы их предохранения и др.;

— размещение ведущего шкива на средней части оси колесной пары улучшает условия работы наиболее нагруженного элемента тележки — буксового узла;

Рис. 1 Принципиальная схема клиноременного привода ТСО-16Т от средней части оси колесной пары.

— уменьшение габаритных и весовых ограничений на параметры привода позволяет создать для ременной передачи наилучшие условия работы и повысить ее тяговую способность и долговечность.

На ТВЗ был изготовлен вагон с опытной генераторно-приводной установкой и двумя приводными тележками, оснащенными генераторами мощностью 16 кВт, который в настоящее время находится в подконтрольной эксплуатации в составе фирменного поезда № 17/18 «Кама» на маршруте «Пермь-Москва» .

Анализ результатов наблюдений в период подконтрольной эксплуатации позволил сделать следующие выводы:

1. конструкция привода ТСО-16Т обладает необходимой тяговой способностью и обеспечивает получение мощности в 16 кВт;

2. клиноременный привод от середины оси подлежит доработке с целью устранения выявленных недостатков:

— недостаточная эксплуатационная долговечность ремней клиноре-менной передачи;

— переворачивание и сбрасывание ремней;

— отсутствие удобного доступа к натяжному устройству привода и простого способа проверки усилия начального натяжения ремней.

Решению указанных проблем и посвящена настоящая работа.

Цель диссертационной работы — исследование и совершенствование кли-ноременного привода вагонного генератора от средней части оси колесной пары, с учетом выявленных в период подконтрольной эксплуатации недостатков. Диссертационная работа направлена на повышение эксплуатационной надежности и снижение трудоемкости проведения технического обслуживания и ремонта (ТО и Р) исследуемого привода, имеющего существенное значение для развития пассажирского вагоностроения в России.

Исходя из изложенного, научная проблема диссертационного исследования формулируется следующим образом: создание отечественного надежного, конкурентоспособного клиноременного привода вагонного генератора от средней части оси колесной пары, обеспечивающего необходимой электроэнергией пассажирский вагон с кондиционированием воздуха, позволяющего исключить применение редукторно-карданного привода типа WBA-32 зарубежного производства или его отечественных аналогов.

Поиск путей повышения надежности исследуемого привода осуществлен на основе анализа конструктивных особенностей серийных клиноременных приводов и современных тенденций развития транспортного машиностроения. На основе последних достижений резинотехнической промышленности и общего машиностроения предложены новые технические решения. Экспериментальные исследования, а также необходимые расчеты выполнены на основе разработанных ТИВ программ-методик испытаний.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены конструктивные особенности серийных приводов вагонных генераторов, выполнен обзор и анализ их исследований. В заключение главы поставлены задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена математическому моделированию динамики привода вагонного генератора от средней части оси колесной пары. Разработана математическая модель, которая адекватно отражает работу привода в эксплуатационных режимах движения вагона, позволяющая изучать колебательные процессы, происходящие в системе, а также определить предпочтительные значения базовых параметров.

В третьей главе приведены материалы по совершенствованию привода и его отдельных узлов, обоснованию технических требований предъявляемых к ним. Содержит описание экспериментальных исследований и результаты по определению упругих и геометрических характеристик клиновых ремней сечения В и С.

Четвертая глава посвящена исследованиям эксплуатационной надежности приводов вагонных генераторов. Представлено описание существующих методов. Выполнено исследование эксплуатационной надежности клиноременного привода от средней части оси колесной пары в сравнении с надежностью серийных клиноременных приводов ТРК и ТК. Получены численные значения показателей надежности, проведена их оценка.

В заключении дается общая характеристика работы, формулируются основные выводы по результатам диссертации.

На защиту выносятся:

— разработанная математическая модель, описывающая динамику работы клиноременного привода от средней части оси колесной пары в эксплуатационных режимахрезультаты проведенного аналитического исследования с помощью разработанной математической моделирезультаты экспериментального исследования по определению упругих и геометрических характеристик клиновых ремней новых типов;

— разработанные технические рекомендации по совершенствованию привода и его отдельных узлов предложенный метод обеспечения начального натяжения клиноре-менной передачи;

— результаты исследования эксплуатационной надежности привода ТСО-16Т в сравнении с надежностью серийных клиноременных приводов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, решение ряда технических задач, связанных с совершенствованием привода подвагонного генератора ТСО-16Т от средней части оси колесной пары, обеспечивают создание надежной генераторно-приводной установки, имеющий важное практическое значение, внедрение которой вносит значительный вклад в развитие пассажирского вагоностроения. Нижеследующие выводы и практические рекомендации являются основными составляющими решенной проблемы: в работе выполнен анализ конструктивных особенностей серийных приводов вагонных генераторов, осуществлен обзор и анализ их исследованийразработана математической модели привода, которая позволила провести качественный и количественный анализ колебательных процессов проходящих в системеполучены экспериментальные результаты по определению упругих и геометрических характеристик клиновых ремней новых типов сечения В и С, которые применяются в различных генераторно-приводных установках железнодорожных вагонов, а также выбраны и обоснованы исходные данные для разработанной математической моделиизучено влияние геометрических и упругих характеристик новых типов ремней на распределение нагрузок межу ремнями привода подвагонного генератораавтором впервые предложено и проработано техническое решение виброзащитного устройства, на основе канатного амортизатора, которое обеспечивает снижение вибронагруженности работы привода вагонного генератораразработаны рекомендации по совершенствованию метода обеспечения необходимого начального натяжения клиноременной передачи исследуемого приводапредставлены теоретические положения по определению новой конструкции шкивовв работе проведено исследование эксплуатационной надежности серийных клиноременных приводов, определены основные пути повышения их надежностипроведена оценка надежности привода вагонного генератора от средней части оси колесной пары с учетом предлагаемых технических решенийрассмотренные в диссертационной работе рекомендации позволяют повысить надежность исследуемого привода, снизив затраты материальных ресурсов и времени на его обслуживание, что имеет существенное значение для развития пассажирского вагоностроения в Россииидея применения канатного амортизатора может быть использована при проектировании новых систем виброзащиты различных устройств пассажирского вагона.