Рис. 170. Универсальная характеристика дизели 2Д100: / - виешияя; 2 - экономичная; 3 - тепловозная при электрической передаче

Рис. 171. Совмещенные характеристики дизеля ПДМ1 и гидропередачи:

1,2 - соответствеиио внешняя и ограничительная характеристики дизеля; 4,5 - границы зоны coBMecTHpflj,. работа Дизеля - и гидротраисформатора; 3,4 - границы зоны совместной работы дизеля в гидромуфты

которой, удельный расход топлива будет минимальным. В этом случае дизель будет работать по экономичной характеристике (кривая 2 на рис. 170).

Работа тепловозных дизелей в широком диапазоне мош;ностей и частот вращения вала вызвана необходимостью обеспечения достаточно плавного изменения силы тяги от наименьшего ее значения до наибольшего при различных условиях движения тепловоза. Вследствие этого работа дизеля происходит по тепловозной характеристике, положение которой в координатах мощность- частота вращения определяется типом передачи мощности. В свою очередь от вида тепловозной характеристики зависят экономич-ность и надежность дизеля.

При электрической передаче нагрузкой дизеля является электрический генератор. Систему автоматического регулирования (САР) дизель-генератора настраивают таким образом, что на каждой позиции контроллера машиниста поддерживается заданная постоянная мощность дизеля независимо от режима движения тепловоза. Поэтому тепловозная характеристика дизеля (кривая 3, рис. 170) не является однозначной и может быть выбрана оптимальной или близкой к ней по условиям наибольшей экономичности дизеля.

В случае работы дизеля с гидропередачей его нагрузкой является гидротрансформатор или гидромуфта. Мощность, потребляемая этими агрегатами, пропорциональна кубу угловой скорости входного вала, поэтому мощность дизеля в зависимости от

290

углово! скорости коленчатого вала изменяется по закону куби-, ческой параболы. На рис. 171 показаны совмещенные безразмерные характеристики дизеля и гидропередачи. С учетом расхода мощности на собственные нужды область совместной работы"дизеля и гидротрансформатора расположена между параболами 5 и 4, а с гидромуфтой между параболами 3 я 4 (при различных значениях отношения частоты вращения турбинного колеса к частоте вращения насосного колеса).

Из рис. 170 и 171 йидно, что по условиям наиболее экономичной работы дизеля на переменных режимах при эксплуатации целесообразно выполнить ряд требований. Система автоматического регулирования энергетической цепи тепловоза должна обеспечить стабильный закон изменения мощности дизеля от частоты вращения коленчатого вала независимо от режима движения тепловоза, требуемые значения КПД передачи и вспомогательной нагрузки дизеля (подключения вентилятора, компрессора), а также и других факторов. Наибольший удельный расход топлива для каждой заданное частоты вращения вала должен соответствовать мощности на тепловозной характеристике, т. е. экономичная характеристика дизеля должна по возможности совпадать с тепловозной в наиболее широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала. При электрической передаче эта задача рещается относительно просто (применением системы объединенного регулирования дизель-генератора). В случае работы дизеля с гидропередачей при решении задачи получения требуемой стабильней тепловозной характеристики дизеля встречаются со значительными трудностями.

Опыт эксплуатации автономных локомотивов, а также анализ условий и режимов работы их силовых установок показывают, что первичные двигатели этих локомотивов должны удовлетворять разнообразным (в отдельных случаях противоречивым) требованиям. Важнейшие из них:

1. Необходимая эффективная мощность при приемлемых для проектируемого локомотива габаритных размерах и массе.

2. Высокая экономичность по расходу топлива и смазочных материалов в широком диапазоне рабочих режимов и холостого хода, и в особенности режимов, осуществляемых преимущественно в эксплуатации.

3. Низкая теплоотдача воде и маслу, включая теплоотдачу теплообменнику наддувочного воздуха.

4. Минимальные масса и габаритные размеры вспомогательных устройств и систем, а также минимальный расход мощности на их функционирование.

5. Возможность работы на низкосортных топливах.

6. Безотказность пуска при минимальном расходе энергии.

7. Технологичность и простота конструкции, обеспечивающая низкую стоимость изготовления, удобство монтажа и демонтажа, ремонта и обслуживания в эксплуатации.

10* . 291

Рис. 172. Обобщенная статистическая зависимость мощности дизеля от времени работы под нагрузкой для грузовых тепловозов

f 8. Наиболее полная автоматизация работы, обеспечивающая минимальный уход и исключающая возникновение аварийных режимов.

9. Наиболее полное уравновешивание центробежных сил и минимальная передача динамических сил и вибраций на раму локомотива.

10. Безопасность работы локомотивной бригады в процессе обслуживания.

11. Возможность быстрого изменения режима работы.

12. Достаточный моторесурс. Срок службы до первого капитального ремонта для дизелей средней быстроходности должен быть не менее 20 ООО ч, а новы-шенной - 12 ООО ч.

13. Максимальная унификация и стандартизация как дизелей, так и их агрегатов, узлов и деталей.

Показатель по расходу топлива в точке номинального режима не полностью характеризует топливную экономичность тепловозного дизеля в эксплуатации. Для дизеля, работающего на переменных режимах, характерным показателем является средне-эксплуатационный удельный эффективный расход топлива g, величину которого определяют по формуле

„ Реп I PeSe АГн +Y.bx ATjT - Ре. 2 Ре AT,

где Ре - относительная мощность дизеля, реализуемая в течение времени AT„ и соответствующая заданной угловой скорости коленчатого вала со; g - удельный эффективный расход топлива при соответствующих Р и со, кг/(кВт-ч); 6 - расход топлива на холостом ходу при заданной скорости со, кг/ч; АТ„ - время работы дизеля под нагрузкой при соответствующих Р и со, отнесенное ко всему времени работы под нагрузкой Т„; АТ - время работы дизеля на холостом ходу при расходе топлива Ь-.

Значения Р и ДГи для магистральных тепловозов определяют по графикам (рис. 172), а значения g - по совмещенным универсальной и тепловозной характеристикам дизеля. Время работы дизеля на холостом ходу АТ = (0,Зч-0,4) Т,.

Важное значение имеет положение точки, соответствующей минимальному удельному расходу топлива, на тепловозной характеристике. Мощность и частота вращения, для которых должен быть наименьший расход топлива, зависят от назначения тепловоза и эксплуатационных режимов работы дизеля. Для дизеля магистрального тепловоза точка наименьшего удельного расхода 292

топлива должна находиться в зоне 0,7--1,0 номинальной частоты вращения, поскольку эти режимы являются преимущественными в эксплуатации магистральных тепловозов; для дизеля маневрового тепловоза - дальше от точки номинального режима.

Важным экономическим показателем, -характеризующим эксплуатационные качества двигателя, является также стоимость единицы работы, которая складывается из затрат на топливо, возмещение расходов на производство дизеля, ремонты всех видов и эксплуатацию. Каждая из этих составляющих зависит от основ- ных показателей двигателя. Затраты на топливо зависят от КПД двигателя, рода топлива и продолжительности работы на различных режимах; затраты на возмещение расходов по производству определяются интенсивностью эксплуатации, характером производства, размерами и конструкцией дизеля. Затраты на ремонт зависят от моторесурса и сложности конструкции. Стоимость единицы работы (1 руб/кВт-ч) может быть определена по.формуле

1 /Сд + Ср+Сэ\

где Сот - стоимость единицы топлива; Сд - стоимость дизеля; Ср - стоимость ремонтов двигателя (капитальных, средних, текущих) за весь срок службы; Сэ - стоимость эксплуатации (смазочные и другие материалы) за весь срок службы; Pg - средняя экс-плу:атационная мощность, кВт; Тд - срок службы, ч. Средняя эксплуатационная мощность

где k„ - коэффициент использования номинальной мощности дизеля в эксплуатации.

Статистическое изучение режимов работы тепловозных дизелей в эксплуатации показало, что для магистральных тепловозов (грузовых и пассажирских) среднее значение коэффициента /г„ колеблется в узких пределах (0,55-0,70).

Тип дизеля для проектируемого тепловоза выбирают с учетом перечисленных выше требований, при этом оценивают, наиболее полно ли соответствуют характеристики дизеля типу передачи и назначению тепловоза. Такое соответствие устанавливают на основании анализа совмещенных универсальной и тепловозной характеристик дизеля. Различные дизели при прочих равных условиях (одинаковый тип передачи, равные условия эксплуатации) сравнивают путем определения среднеэксплуатационного удельного расхода топлива и стоимости единицы работы. .

§ 45. ТИПЫ ПЕРЕДАЧ МОЩНОСТИ

Передачей мощности называют устройство или систему устройств, образующих цепь, по которой мощность первичного двигателя передается к движущим осям локомотива. Основными тяговыми параметрами локомотива являются длительная сила тяги

Рис. 173. Примерные тяговые характеристики тепловозу с непосредственные приводом:

; - ограничение по сцеплению; 2, 3, 5 - внешние характеристики дизеля различной мощности; 4 - линия постоянной мощности; 6 - сопротивление движению

/коо, длительная скорость .v при движении на руководящем подъеме и максимальная (конструкционная) скорость локомотива у, которая в большинстве случаев соответствует движению на горизонтальном участке или спуске.

При постоянном передаточном числе между валом дизеля и осями колесных пар (непосредственная передача) сила тяги и скорость движения локомотива обусловлены крутящим моментом Me и частотой вращения со коленчатого вала дизеля. Законы изменения Me (со) и (у) одинаковы. На рис. 173 показаны примерные тяговые характеристики тепловоза с непосредственным приводом. Скорость у„ соответствует номинальной, а v минимальной устойчивой частоте вращения вала дизеля. Если на тепловозе установить дизель мощностью, соответствующей характеристике 5, то он сможет обеспечить движение поезда только на легком участке Цути. Э случае применения дизеля с характеристикой S будет обеспечено движение поезда на тяжелых участках пути; однако при низких скоростях не полностью будет использована сцепная масса, локомотива. Для полного использования сцепной массы-необходим дизель с характеристикой 2 и номинальной мощностью (в кВт)

= -fKmaxV3 600TlnPc. - (45)

где /ктах - максимальная по сцеплению сила тяги тепловоза, Н;

- конструкционная скорость движения, км/ч; - КПД передачи. -

Соответственно при движении на руководящем подъеме мощность дизеля

Реоо = FvJ 600т1„р(.. (46)

При tin const и (46), получим

Реф/Ресо = (Fk n,ax k<x.)(tk/y<x.).

Для современных магистральных локомотивов отношение кшах/ксх. =2-2,5 и Ук/Усх. = 2ч-4, поэтому для тепловозов с непосредственным приводом Ре,/Ре = 8-ь10. Следовательно, для создания тепловоза с непосредственным приводом потребовался бы дизель мощностью, в 8-10 раз превышающей номиналь-

const, поделив равенство (45) на равенство

ную мощность локомотива. Разместить такой дизель н тепловозе невозможно. Если бы даже это удалось, то он всегда работал бы при малой нагрузке и с низким КПД. Кроме того, на тепловозе с непосредственным приводом необходимо было бы решать проблему разгона поезда со стоянки до минимальной скорости ущ.

Использование на тепловозе передачи с переменным переда-точны\ числом позволяет устранить указанные выше недостатки. Изменение передаточного числа дает возможность увеличить силу тяги по сравнению с силой тяги тепловоза с непосредственным приводом безувеличения мощности дизеля. Для этого передаточное число между валом дизеля и колесами локомотива должно быть увеличено до значения, при котором может быть получена максимальная сила тяги F„max.- ограничиваемая по сцеплению. Если во время движения поезда передаточное число изменять плавно от значения «2> соответствующего максимальной силе тяги,, до значения Ui при движении с максимальной скоростью, то при любой скорости движения может быть реализована полная мощность дизеля. При этом

Fv = 3600Р11пРс = const.. ,

Если принять Tin const и const, то тяговую характеристику локомотива можно представить равносторонней гиперболой ограниченной максимальной силой тяги по сцеплению и максимальной скоростью движения.

Таким образом, основная роль передачи мощности состоит в преобразовании заданных постоянных крутящего момента и угловой скорости вала первичного двигателя в переменный момент вращения и угловую скорость движущих колесных пар локомотива. Чем больше мощность, развиваемая дизелем и соответственно локомотивом в эксплуатации, тем выше его производительность и тем меньше потребуется локомотивов для выполнения одного и того же объема работы.

Различают следующие основные типы передач мощности: механическую, гидравлическую, электрическую и комбинированную (гидромеханическую, электромеханическую и электрогидравлическую).

Электрическая передача. В электрической передаче преобразд-, вание заданных крутящего момента и угловой скорости коленчатого вала дизеля в изменяемые в широких пределах крутящий момент и частоту вращения движущих колес тепловоза осуществляется путем превращения сначала механической энергии в электрическую, а затем электрической в механическую. Поэтому всякая электрическая передача мощности включает соединенный механически с валом дизеля тяговый (главный) генератор и связанные с осями колесных пар локомотива тяговые электродвигатели. В зависимости от типа тяговых электрических машин различают системы электрической передачи постоянного, переменно-постоянного и переменного тока.