Гидравлическая передача тепловоза
На тепловозах применяются гидравлические машины, позволяющие преобразовывать и передавать энергию от ведущего элемента трансмиссии тепловоза к ведомому.
Классификация
Gо принципу работы различают гидродинамические передачи, применяемые на тепловозах в качестве тяговых передач, и гидростатические (гидрообъемные) передачи — для приводов вспомогательных агрегатов. Гидродинамические передачи устанавливают преимущественно на тепловозах промышленного транспорта, а также на моторных вагонах дизель-поездов и автомотрисах.
Состав
В состав гидропередачи входят преобразователи энергии - гидротрансформаторы и гидромуфты.
Гидротрансформатор
Гидротрансформатор (рис. 5.45) состоит из центробежного насоса, приводимого во вращение от вала, соединенного с двигателем тепловоза, турбинного колеса, приводящего оси локомотива через систему зубчатых колес, и неподвижного лопастного колеса - направляющего аппарата, который передает воспринимаемый им вращающий момент на корпус гидротрансформатора. В гидротрансформаторе соотношение вращающих моментов:
Мт = Мн _+ Мна.
Гидротрансформатор преобразует (трансформирует) практически постоянный вращающий момент насосного колеса в переменный вращающий момент на турбинном колесе, обеспечивая плавное изменение силы тяги тепловоза в зависимости от скорости движения, что важно для работы локомотива как тяговой машины. Момент, передаваемый насосным колесом гидротрансформатора, равен Мн = ρλnD5a*n2н где ρ - плотность рабочей жидкости (масла), λн - коэффициент, пропорциональный моменту насосного колеса и зависящий от типа гидротрансформатора и его конструктивных параметров, nн - частота вращения насосного колеса. Для гидротрансформатора кпд: η=Mт*nт/Мнnн = ki, где k - коэффициент трансформации вращающего момента; i — передаточное отношение; наибольший кпд составляет 0,88.
Гидромуфта
Гидромуфта, в отличие от гидротрансформатора, состоит из центробежного насоса, приводимого от двигателя локомотива, и центростремительной гидравлической турбины, соединенной через зубчатую передачу с колесными парами тепловоза. Рабочие колеса насоса и турбины механически не связаны между собой и образуют полость, внутри которой циркулирует рабочая жидкость. Энергия от насосного к турбинному колесу передается путем гидродинамического взаимодействия потока жидкости и лопастей рабочих колес. Вращающие моменты на насосном и турбинном колесах гидромуфты равны между собой:
Мн = Мт.
Гидромуфта осуществляет передачу вращающего момента с ведущего насосного колеса на ведомое турбинное без изменения момента. Для гидромуфты кпд - отношение произведений моментов и частот вращения турбинного и насосного колес η=Mт*nт/Мнnн - равен передаточному отношению i = nт/nн. Наибольшее значение ρλnгм = 0,97 при передаче номинального момента Мном.
На тепловозах применяют многоциркуляционные гидродинамические передачи, состоящие из нескольких гидротрансформаторов и гидромуфт, которые включаются при автоматическом наполнении их полостей рабочей жидкостью и выключаются при ее удалении. Каждый гидротрансформатор и гидромуфта образуют одну ступень скорости. При низкой скорости движения (первые ступени) используются гидротрансформаторы, обеспечивающие трансформацию вращающего момента и большую силу тяги для преодоления сопротивления при трогании с места, разгоне и при движении на подъемах. На более высоких скоростях используются гидромуфты, передающие вращающий момент без его трансформации.
Характеристики тепловозного гидротрансформатора
Характеристики тепловозного гидротрансформатора (рис. 5.46,а) представляют собой зависимости коэффициента трансформации k, произведения ρλn и кпд гидротрансформатора ηгтр от передаточного отношения i = nт/nн. Характеристики гидромуфты (рис. 5.46,6) - это зависимость передаваемого ею момента Мгм = Мн = Мт и кпд гидромуфты от передаточного отношения. Гидромуфта передает номинальный вращающий момент Мном при максимальном значении кпд. Как видно из характеристик, гидромуфта является так называемым «прозрачным» элементом гидропередачи, полностью передающим нагрузку от ведомой части на двигатель, по сути - это гидравлическое сцепление. Гидротрансформаторы обладают небольшой «прозрачностью» и обеспечивают незначительное изменение крутящего момента на ведущем звене (двигателе), предохраняя его от перегрузки.
Характеристики совместной работы гидротрансформаторов и гидромуфт (рис. 5.47) представляют собой совмещенные графики крутящего момента на валу двигателя и приведенного момента на насосном валу гидротрансформатора или гидромуфты в зависимости от частоты вращения вала двигателя.
Если между двигателем и гидропередачей установлена зубчатая передача, то приведенный момент равен:
где nд - частота вращения вала двигателя; in - передаточноечисло зубчатой передачи.
Точки пересечения характеристик дают возможность определить значения моментов двигателя и частоты вращения его вала, необходимые для расчета силы тяги и скорости тепловоза. Номинальному режиму работы двигателя соответствуют частота вращения его вала n"ном и вращающий момент М"ном.
На российских тепловозах применяют многоциркуляционные гидродинамические передачи: с двумя гидротрансформаторами, с двумя гидротрансформаторами и одной гидромуфтой (тепловозы ТГМ4, ТГМ6, ТГМ8); с одним гидротрансформатором и двумя гидромуфтами (тепловозы ТГМ1, ТГМ23). Число ступеней скорости определяется из условия обеспечения сравнительно высоких значений кпд передачи во всем диапазоне рабочих скоростей локомотива. За рубежом, кроме многоциркуляционных гидропередач, используются также гидропередачи с одним гидротрансформатором и передачи с гидравлическим реверсированием для маневровых и промышленных тепловозов.
Требования
При использовании в гидропередаче гидротрансформаторов одинаковой конструкции с идентичными характеристиками необходимо обеспечить работу турбинных колес на вторичный вал, что приводит к усложнению конструкции гидропередачи и снижению ее экономичности и ресурса. Примером такой передачи является трехциркуляционная гидропередача (рис. 5.48) с двумя гидротрансформаторами и одной гидромуфтой (тепловозы ТГМ4, ТГМ6). Вращающий момент передается от дизеля через зубчатые колеса Z1 и Z2 на вал насосных колес. Турбинное колесо гидротрансформатора первой ступени скорости через зубчатые колеса Z3 и Z4 передает вращающий момент вторичному валу, соединенному с реверс-режимным редуктором. Турбинные колеса гидротрансформатора второй ступени скорости и гидромуфты (третья ступень) передают вращающий момент вторичному валу посредством зубчатых колес Z5 и Z6. Реверсирование тепловоза и включение поездного и маневрового режимов работы осуществляются посредством шлицевых муфт и зубчатых колес Z7-Z13. Ступени скорости включаются автоматически системой управления, в которую входят золотниковая коробка и электрогидравлические вентили. Выбор требуемой ступени скорости и ее включение осуществляются в зависимости от сопротивления движению и частоты вращения вала двигателя. Характеристика унифицированной гидропередачи УГП 750/1200 в относительных координатах приведена на рис. 5.49.
Более простыми и надежными являются гидропередачи без вторичного вала, в которых турбинные колеса гидроаппаратов, имеющих различные характеристики, сблокированы между собой и работают на общий турбинный вал (рис. 5.50).
Гидропередачи тепловозов обеспечивают независимое вращение ведущего и ведомого валов, плавное трогание с места и разгон, автоматическое изменение передаточного отношения между ведущей и ведомой частями передачи, ограничение крутильных колебаний. Передачи сравнительно просты в изготовлении, не требуют затрат цветных металлов, однако по экономичности на 5-7% уступают электрическим передачам. Применение гидропередач эффективно на тепловозах мощностью до 1500 кВт.