Тепловоз ТЭП60

Железнодорожному транспорту России, кроме выполнения плановых объемов перевозок, предстоит совершенствование всех его составляющих звеньев путем улучшения организации и технического переустройства, с целью повышения экономичности, рентабельности, эффективности перевозочного процесса и уменьшения транспортных издержек.

Железнодорожный транспорт является одним из самых крупных потребителей топливно-энергетических ресурсов; на его долю приходится более 16% от общего потребления энергоресурсов всеми видами транспорта. Расход топлива и электроэнергии в поездной работе зависит от многочисленных факторов и конструктивных особенностей локомотива. К ним относятся: режим ведения состава, характеристика поезда и пути, техническое состояние локомотива, климатические условия, организация движения.

В локомотивном хозяйстве занято около 22% всего эксплуатационного персонала железных дорог России. Поэтому дальнейшее повышение производительности труда работников локомотивного хозяйства, повышение эффективности использования локомотивного парка, повышение надежности отдельных узлов тепловоза, улучшение эксплуатационных показателей использования локомотивов в значительной степени улучшают показатели работы железнодорожного транспорта в целом.

Существенное повышение надежности локомотивного парка повлечет
за собой снижение трудоемкости и себестоимости его обслуживания и ремонта. Выбор методов эксплуатации локомотивов в большей степени основывается на современной математической базе. К решению эксплуатационных задач всё шире привлекается вычислительная техника, внедряются диагностические, испытательные стенды и комплексы, автоматизированное и механизированное ремонтное оборудование, экипировочные устройства.

1. Расчет и построение тяговой характеристики тепловоза

Тяговая характеристика F_k=f(V) рассчитывается и строится для номинальной мощности тепловоза с учётом типа электрической передачи и количества секций тепловоза-образца.

Касательная мощность локомотива определяется по формуле, кВт:

N_к=N_ез_т.гз_тэдз_з.пв_всп, (1.1)

где N_е - эффективная мощность энергетической установки тепловоза, кВт;

з_т.г=0,938 - коэффициент полезного действия тягового генератора,

з_тэд=0,915 - коэффициент полезного действия тяговых электродвигателей,

з_з.п=0,975 - коэффициент полезного действия тяговой зубчатой передачи,

в_всп - коэффициент, учитывающий отбор мощности от силовой установки на привод вспомогательных механизмов тепловозов (ВСП),

в_всп =, (1.2)

где ДN=(0,08-0,15) Nе-расход мощности на привод вспомогательных механизмов, кВт.

Подставляя в формулу (1.2) значения, получаем:

Подставляя в формулу (1.1) значения, получаем:

N_к=2200?0,938?0,915?0,975?0,9=1657 кВт.

Касательная сила тяги локомотива, кН,

F_к=3,6N_k/ V, (1.3)

где V - скорость движения тепловоза, км/ч.

Значения скорости задаются в интервале от 10 до V_к=160 км/ч (конструкционная скорость).

Расчётная сила тяги F_кропределяется из формулы (1.3) при расчётной скорости движения V_р=47 км/ч.

F_кр=3,6Nk/ V_р. (1.4)

Подставляя в формулу (1.4) значения, получаем:

F_кр=3,6?1657/47=126,91 кН.

На график зависимости F_k=f(V) наносят кривую ограничения по сцеплению, рассчитываемую по формуле, кН:

F_сц=Р_сцш_к, (1.5)

где Р_сц =q_лn - cценой вес тепловоза, кН;

q_л = 226 кН - нагрузка на ось локомотива;

n = 6 - количество ведущих осей локомотива;

шк - расчетных коэффициент сцепления,

Р_сц =226?6=1356 кН.

ш_к= 0,118+ 5 / (27,5+V). (1.6)

Значения F_сц определяется при скоростях 0,5,10,15,20…км/ч:

Результаты расчётов зависимостей F_сц = f(V) и F_к =f(V) свести в табл. 1.1

Таблица 1.1. Результаты расчётов F_сц и F_к

Тяговая характеристика, с нанесенными ограничениями, представлена на рис. 1.1. Точке пересечения кривой F_сц=f(V) и F_к=f(V) соответствует скорость V_ок, начиная с которой полностью используется как сцепной вес локомотива, так и мощность его энергетической установки (дизеля).

2. Расчет массы поезда

Для сравнения различных серий тепловозов рассчитываются следующие параметры:

коэффициент полезного использования мощности дизеля для тяги, который вычисляется по формуле:

ц_т = N_к / N_e. (3.1)

Подставляя значения в формулу (3.1) получаем:

ц_т = 1657/ 2200= 0,753;

коэффициент полезного действия тепловоза при нормальном режиме работы дизеля,

з_т= 3600 N_к / (B_чQ_н^(р)), (3.2)

где N_к= 1657 - касательная мощность, кВт;

Q_н^(р) - удельная теплота сгорания топлива, Q_н^(р) = 42745 кДж/кг;

В_ч - часовой расход топлива, кг/ч,

В_ч = g_eN_e, (3.3)

где g_e= 0,231 - удельный расход топлива, кг/кВт? ч;

N_e=2200 - нормальная мощность дизеля, кВт;

Подставляя значения в формулу (3.3), получаем:

В_ч= 0,231?2200 =508 кг/ч.

Подставляя значения в формулу (3.2), получаем:

зт = 3600? 1657/508? 42745 =0,36;

удельная сила тяги локомотива, Н/кВт,

f_уд= F_кр/ N_e, (3.4)

где F_кр= 476000 - расчётная сила тяги при расчётной скорости, Н.

Подставляя значения в формулу (3.4), получаем:

f_уд= 126910/2200 =57,7 Н/кВт,

коэффициент тяги,

ш_т= F_кр/ Р_сц, (3.5)

где Р_сц= 2544 - сцепной вес локомотива, кН.

Подставляя значения в формулу (3.5), получаем:

ш_т= 126,91/1356 = 0,093,

удельная масса локомотива, кг/кВт,

m_уд= m_л/N_е, (3.6)

где m_л - масса локомотива, кг,

m_л= Р_сц / g. (3.7)

Подставляя значения в формулу (3.7) и (3.6), получаем:

mл =1356000/ 9,81 =138226 кг;

mуд = 138226/ 2200 = 62,83 кг/кВт.

4. Составление схемы расположения оборудования тепловоза

Одно- и двухсекционные тепловозы ТЭП60 и 2ТЭП60 с электрической передачей предназначены для пассажирской службы на железнодорожной сети РФ. Этим тепловозам присвоен Государственный Знак качества. Внешний вид, общая компоновка, а также устройство ходовых частей характерны для скоростного локомотива (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Тепловоз ТЭП60: 1 - задняя кабина; 2 - резервуар противопожарной установки; 3 - гидромотор; 4 - вентилятор; 5 - бак для воды; 6 - фильтр-бак; 7 - воздушные фильтры дизеля; 8 - аккумуляторные батареи; 9 - топливный бак; 10 - дизель; 11 - фильтр масляный тонкой очистки; 12 - вентилятор охлаждения тягового генератора; 13 - вентилятор охлаждения электродвигателя передней тележки; 14 - тормозной компрессор; 15 - котел-подогреватель (с тепловоза №0502 не устанавливается); 16 - передняя кабина; 17 - электродвигатель; 18 - стол помощника машиниста; 19 - контроллер машиниста; 20 - пульт машиниста; 21 - высоковольтная камера; 22 - санузел; 23 - двухмашинный агрегат; 24 - синхронный подвозбудитель; 25 - редуктору; 26 - тяговый генератор; 27 - фильтр топливной грубой очистки; 28 - фильтр топливный тонкой очистки; 29 - топливоподогреватель; 30 - вентилятор охлаждения электродвигателей задней тележки; 31 - гидронасос; 32 - теплообменник; 33 - фильтр масляный грубой очистки; 34 - главные воздушные резервуары; 35 - насос маслопрокачивающий; 36 - насосы топливоподкачивающие; 37 - фильтр тонкой очистки масла

Силовая установка, состоящая из дизеля и тягового генератора постоянного тока ГП-311В с независимым возбуждением и принудительным охлаждением, расположена посередине тепловоза, на общем подрамнике.

Дизель 11Д45 мощностью 3000 л.с. двухтактный, 16-цилиндровый с V-образным расположением цилиндров, с двухступенчатым воздухоснабжением и промежуточным охлаждением воздуха после турбонагнетателей. Подрамник установлен на раме тепловоза на резиновые амортизаторы, которые воспринимают вес силовой установки и ряда вспомогательных устройств и препятствуют сдвигу их в продольном и поперечном направлениях.

Установка дизель-генератора на амортизаторах исключает жесткую связь с рамой тепловоза, уменьшая передачу звуковых колебаний и сил от неуравновешенных масс дизеля на кузов и улучшая условия работы локомотивной бригады. Амортизаторы расположены вдоль дизель-генератора (с каждой стороны по 10 шт.). Под генератором амортизаторы поставлены в два ряда. Четыре упорных амортизатора препятствуют сдвигу агрегата вдоль рамы. Амортизаторы трехэлементные; между стальными элементами находится 30-мм слой резины, привулканизированной к ним. Резина синтетическая, масло- и морозостойкая, способная работать при температуре от -30 до +70° С.

От вала дизеля приводится ряд вспомогательных установок тепловоза: со стороны генератора - тормозной компрессор КТ7; двухмашинный агрегат А-706А, состоящий из вспомогательного генератора, предназначенного для освещения, цепей управления и подзаряда аккумуляторной батареи и возбудителя генератора; подвозбудитель ВС-652; вентиляторы для охлаждения генератора и электродвигателей передней тележки. Все агрегаты, за исключением тормозного компрессора, расположены на остове генератора и приводятся в движение от раздаточного редуктора; со стороны турбокомпрессоров - вентилятор охлаждения тяговых электродвигателей задней тележки и мультипликатор гидростатического привода вентиляторов холодильника. Вал вентилятора задней тележки получает вращение от общего редуктора агрегатов воздухоснабжения дизеля через конический редуктор.

Воздух для охлаждения электромашин засасывается снаружи кузова и по специальным кожухам подается к месту назначения. В случае необходимости воздух может засасываться из кузова. Для работы дизеля воздух поступает через маслопленочные фильтры, которые расположены над турбокомпрессорами, что позволяет исключить длинные воздухопроводы и снизить сопротивление на всасывающей стороне турбокомпрессоров до минимума. Частично или полностью воздух для работы дизеля может засасываться из кузова. При заборе воздуха из кузова он пополняется через окна в боковых стенках кузова, имеющих жалюзи.

Со стороны устройств воздухоснабжения дизеля расположен холодильник, что обеспечило компактное размещение агрегатов, обслуживающих дизель, сократило длину труб к холодильнику, теплообменнику, водяному и масляному насосам.

Холодильник дизеля включает два независимых контура циркуляции, расположенных в двух шахтах и охлаждаемых отдельными вентиляторами. В первом контуре охлаждается вода дизеля, во втором - вода, которая охлаждает масло дизеля в теплообменнике и воздух в холодильнике наддувочного воздуха дизеля. Применение теплообменника исключило установку ребристых масляных секций, как это сделано на тепловозах ТЭ3 и ТЭ10Л, которые в условиях низких температур работают ненадежно и с течением времени закоксовываются.

Привод вентиляторов гидростатический. Вентиляторы приводятся в движение от гидромоторов, которые работают под давлением масла, создаваемым гидронасосами. Последние получают вращение от мультипликатора, который приводится в движение непосредственно от дизеля. Гидромоторы и гидронасосы - одинаковые машины, работающие в разных режимах. Их работа регулируется терморегуляторами, которые автоматически поддерживают заданный диапазон температур воды и масла, охлаждающих дизель. Привод жалюзи холодильника также автоматизирован.

Все устройства холодильника дизеля с разветвленной системой трубопроводов размещены под полом кузова. Характерной особенностью холодильника дизеля является однорядное расположение воздуховодяных ребристых секций, что дало возможность более эффективно их расположить и уменьшить вес охлаждающего устройства дизеля.

Со стороны генератора находится высоковольтная камера, имеющая форму прямоугольной призмы, малая сторона которой примыкает к боковой кузова. Стенка камеры, обращенная к кабине машиниста, имеет двустворчатые двери по всей площади, остекленные органическим стеклом. Доступ внутрь камеры возможен также через дверки и отъемные листы, которые предусмотрены на двух других сторонах высоковольтной камеры.

Силовые провода заключены в алюминиевые трубы, которые уложены под полом в средней части главной рамы и проходят под дизелем. Слева, около передней кабины, установлен котел-подогреватель систем дизеля для прогрева их перед пуском и на стоянках. У задней стенки высоковольтной камеры находится санузел.

Между кабинами и машинным отделением предусмотрены тамбур с дверями для входа снаружи в дизельное помещение с каждой стороны тепловоза. Эти тамбуры являются одновременно воздушными буферами, поглощающими шум от дизеля.

На тепловозе применен сварной несущий кузов, представляющий собой соединение главной рамы, боковых ферм (стенок), крыши и двух кабин в единую пространственную конструкцию, которая воспринимает вес устройств, расположенных в кузове, динамические нагрузки при трогании с места и следовании в пути. Каркас кузова выполнен из сваренных гнутых легких профилей и обшит тонколистовыми стальными и алюминиевыми листами.

Несущая конструкция кузова легче на 5500 кг обычной, имеющей несущую раму, и, как показали прочностные испытания, достаточно прочна и устойчива.

В машинном отделении полы выполнены из алюминиевых ребристых плит, легко снимаемых для осмотра и ремонта агрегатов, находящихся под полом, укрепленных на настиле рамы кузова. Уровень пола повсюду сохранен постоянным и незначительно снижен лишь в кабинах. Боковые стенки и крыша теплошумоизолированы и обшиты внутри тонколистовой сталью.

Кабины отделены от машинного отделения теплозвукоизолированными стенками, посредине которых навешаны герметичные двери с окнами, имеющими двойные стекла. Та кабина, около которой расположена высоковольтная камера, считается передней, или первой. Передняя и боковые стенки имеют сплошное остекление из органического стекла толщиной 10-12 мм с узкими вертикальными стойками, которые являются силовыми элементами каркаса кузова. Два таких элемента расположены на передней стенке кабины таким образом, что образуют дверной проем во второй кабине каждой секции двухсекционного тепловоза 2ТЭП60 от секции ТЭП60. По бокам кабины имеются окна, при открывании сдвигающиеся вперед.

Пульт машиниста имеет наклонное табло, на котором размещены контрольно-измерительные приборы. Контроллер, измеритель скорости с телефоном радиостанции находятся слева, а тормозные краны, управляющие песочницей и средства звуковой сигнализации - справа. Для машиниста и его помощника сиденья установлены и закреплены на полу и могут регулироваться по высоте. Два дополнительных откидных сиденья укреплены на задней стенке. Под столом помощника машиниста установлены для отопления два водяных калорифера с принудительной подачей воздуха. В зимнее время специальный вентилятор засасывает воздух из кабины, прогоняет через калориферы и направляет его подогретым под сиденья, для обдува окон и обогрева кабины. В летнее время калориферы выключают из водяной системы, а вентилятор через специальное отверстие, расположенное на передней стенке будки, при открытой заслонке засасывается встречный воздух и подает его для охлаждения и вентиляции помещения кабины.

Боковые стенки, потолок и в особенности пол и задняя стенка кабины тщательно изолированы. Вся кабина обшита перфорированными стальными листами, а деревянный пол покрыт линолеумом.

Кузов тепловоза установлен на две трехосные сбалансированные бесчелюстные тележки. На каждую тележку кузов опирается на две главные вертикальные опоры маятникового типа, снабженные резиновыми конусами, и четыре боковые пружинные опоры, расположенные по две с каждой стороны тележки. Эти опоры позволяют раме тележки при прохождении кривых поворачиваться и иметь поперечное перемещение. Между кузовом и тележкой предусмотрена упругая связь посредством пружинных растяжек, удерживающих маятниковые опоры в вертикальном положении, а следовательно, тележки в среднем положении на прямом участке пути и обеспечивающих плавный поворот их кривых. Боковые опоры воспринимают примерно половину веса надтележечного строения.

Рессорное подвешивание тележки включает цилиндрические пружины, расположенные около букс, и листовые рессоры с балансирами. Статическая осадка рессорного подвешивания без учета резиновой амортизации равна 93 мм.

Тяговые электродвигатели выполнены с опорно-рамным подвешиванием, их вес не воспринимается осями, они прикреплены к раме тележки и входят в подрессоренное строение тепловоза.

Тяговый генератор типа ГП-311В представляет собой некомпенсированную десяти полюсную машину постоянного тока с независимым возбуждением, закрытого исполнения, с принудительной вентиляцией. Коэффициент полезного действия составляет 93,8%. Генератор выполнен для правого вращения, если смотреть со стороны коллектора. Вентилятор генератора должен обеспечивать расход воздуха 15000 м³/ч при номинальной мощности 750 об/мин. Воздух нагнетается в генератор со стороны, противоположной коллектору.

На сердечник главного полюса надевается катушка, на каркас которой намотаны обмотка возбуждения и пусковая обмотка. Обмотка возбуждения имеет 105 витков, намотанных проводом ПСД прямоугольного сечения. Обмотка возбуждения на всех десяти полюсах соединена последовательно.

Вспомогательный генератор типа ВГТ 275/120, который служит на тепловозе для питания цепей управления, заряда батареи и питания вспомогательных устройств.

Вращающий момент передается через полую ось, которая покоится в подшипниках электродвигателя, а затем через шарнирный упругий привод - обоим колесам каждой колесной пары.

Конструкция буксового узла в комбинации с опорно-рамным подвешиванием тяговых электродвигателей, мягкое, практически, двухступенчатое рессорное подвешивание, широкое применение резиновой амортизации - основные качества тележки современного скоростного пассажирского тепловоза. Такое соединение электродвигателей обеспечивает наилучшее распределение сцепного веса и в случае неисправности одного из них меньше снижает силу тяги тепловоза.

Возбуждение генератора представляет собой систему автоматического регулирования мощности дизель-генератора с использованием объединенного регулятора.

Система объединенного регулирования сводится к соединению в единую конструкцию двух исполнительных агрегатов: один регулирует подачу топлива в дизель, а другой изменяет возбуждение генератора.

Начиная с тепловоза ТЭП60 №0167, были введены изменения в схему регулирования дизель-генератора. До этого тепловоза обмотка независимого возбуждения генератора получала возбуждение от трехфазного синхронного генератора через рабочие обмотки трехфазного магнитного усилителя и выпрямителя. С тепловоза ТЭП60 №0167 обмотка возбуждения генератора питается от возбудителя. Магнитный однофазный усилитель включен в цепь возбуждения возбудителя и питается от однофазного синхронного генератора (подвозбудителя).

Новая схема регулирования существенно снизила габариты и мощность, потребляемую магнитным усилителем, улучшила его характеристику, снизила потери на возбуждение генератора и обеспечила большую стабильность рабочих параметров системы регулирования.

Тепловоз оборудован электропневматическим тормозом, радиостанцией, противопожарной установкой с автоматической системой извещения и автоматической локомотивной сигнализацией с автостопом.

5. Определение нагрузки на тележки тепловоза

Задача заключается в выборе и размещении оборудования тепловоза так, чтобы обеспечить заданные и равномерные нагрузки от колёс локомотива на рельсы. Для решения этой задачи сначала нужно определить центр тяжести тепловоза, вес которого передаётся на опоры тележек. Этот вес составляется из веса группы узлов и деталей дизель-генераторной установки, систем тепловоза, вспомогательного и электрического оборудования, кабины машиниста и кузова.

Момент М_iкаждого узла относительного условной оси, кН ? м:

М_i=G_i?L_i, (5.1)

где G_i - весузлов и агрегатов тепловоза, кН;

L_i - длина плеч от их центра тяжести узла или агрегата тепловоза до условной оси моментов, м.

По полученным результатам составляется расчётная ведомость тепловоза (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Расчётная ведомость тепловоза

Расстояние центра тяжести тепловоза от условии моментов X_цт определяется по формуле, м:

X_ц.т=, (5.2)

где n - число групп узлов тепловоза.

Подставляя значения в формулу (5.2), получаем:

X_ц.т =6249,8/643,46=9,71 м.

Определив центр тяжести кузова и рамы тепловоза со всем оборудованием, тележки тепловоза располагают на одинаковом расстоянии от центра тяжести.

Расстояния от расчётного центра тяжести тепловоза до осей средних колесных пар передней и задней тележек локомотива а₁ и а₂ определяются по формулам;

а₁=X_ц.т - L'_к.п, (5.3)

где L'_кп = 4,65 м - расстояние от условной оси до оси средней колесной пары передней тележки;

а₂ = L_к.п^(c) - а₁, (5.4)

где L_кп^(c)=10,2 м - расстояние между центрами средних колёсных пар смежных тележек одной секции тепловоза;

Подставляя значения в формулу (5.3) получаем:

а₁= 9,71-4,65=5,06 м;

Подставляя значения в формулу (5.4) получаем:

а₂= 10,2 - 5,06=5,14 м.

Если расстояния а₁ и а₂ не равны, то нагрузка на заднюю P_т2 и переднюю Р_т1 тележки определяются по формулам, кН:

Р_т2= , (5.5)

Р_т1= - Р_т2, (5.6)

Подставляя значения в формулу (5.5) получаем:

Р_т2=5,06?643,46/(5,06+5,14)=319,21 кН;

Подставляя значения в формулу (5.6) получаем:

Р_т1=643,46-319,21=324,25 кН.

В условиях эксплуатации разница в нагрузках на тележки тепловоза не должна превышать 2 - 3%.

Нагрузка от одной колёсной пары на рельсы определяется для каждой тележки, кН:

П₁=(Р_т1+G_т)/n; (5.8)

П₂=(Р_т2+G_т)/n, (5.9)

где n = 3 - число колёсных пар в тележке.

Подставляя значения в формулы (5.8) и (5.9) получаем:

П₁=324,25/3=108,8 кН,

П₂=319,21/3=106,4 кН.

По нормам проектирования локомотивов при развеске необходимо добиться выполнения условия

, (5.10)

где П - вес, приходящийся от колёс одной колёсной пары на рельсы (осевая нагрузка), определяемый из условия равномерного распределения веса локомотива по колёсным парам, кН;

П = (Р_т1 + Р_т2 + 2G_т) / 2n, (5.11)

Подставляя значения в формулу (5.11) получаем:

П = (324,25+ 319,21+ 266,07) / 2·3 = 195,93 кН.

Подставляем полученные значения в формулу (5.1) получаем:

=0,013.

На основании проведенных расчётов с использованием данных весовой ведомости тепловоза строится схема развески тепловоза.

Заключение

В результате расчета курсовой работы были получены:

касательная мощность, N_k=1657 кВт;

расчетная сила, F_к.р.=126,91 кН;

расчетная масса поезда, m_т=1750 т;

коэффициент полезного действия, з_т=0,753;

удельная сила тяги, f_уд=57,7 Н/кВт;

коэффициент тяги, ш_т=0,093;

удельная масса локомотива, m_уд=62,83 кг/кВт;

расстояние центра тяжести, X_ц.т.=9,71 м;

нагрузка на заднюю тележку, Р_т2=319,21 кН;

нагрузка на переднюю тележку, Р_т1=324,25 кН;

вес, передаваемый на буксы колесных пар тележки, Р_т=195,93 кН;

нагрузка от одной колесной пары на рельсы, П₁=108,8 кН; П₂=106,4 кН.

По нормам проектирования тепловоза 2ТЭ10В при развеске выполнено условие: 0,013<0,03.

В результате расчета курсовой работы для тепловоза ТЭП60 были составлены:

диаграмма тяговой характеристики;

основные технические характеристики;

схема расположения оборудования тепловоза;

схема развески тепловоза.

На основе сравнения полученных значений с паспортными, делаем вывод о правильности расчетов.