Введение

Тепловоз — автономный локомотив, первичным двигателем которого является двигатель внутреннего сгорания, обычно дизель. Название дизель-электровоз иногда применяется для тепловозов с электрической трансмиссией.

Появившийся в  начале XX века тепловоз стал экономически выгодной заменой как низкоэффективным устаревшим паровозам, так и появившимся в то же время электровозам, рентабельным лишь на магистралях со сравнительно большим грузо- и пассажиропотоком.

Общая характеристика

Дизельный двигатель  тепловоза преобразует энергию сгорания жидкого топлива в механическую работу вращения коленчатого вала, от которого вращение через тяговую передачу получают движущие колёса. К основным узлам тепловоза относится: экипажная часть, кузов тепловоза. К вспомогательным узлам — система охлаждения, система воздухоснабжения, воздушная (тормозная) система, песочная система, система пожаротушения и т. д.

Общий принцип работы и конструкция

Схема компоновки советского экспортного тепловоза ТЭ109 с электрической передачей переменно-постоянного тока

на схеме помечены:

Зависимость силы тяги от скорости движения является основной характеристикой тепловоза и  называется тяговой характеристикой. Для случая максимального использования мощности локомотива график такой характеристики представляет собой гиперболу, в каждой точке которой произведение силы тяги на скорость локомотива равно его максимальной мощности. 
 

При движении механическая энергия на валу дизеля, как правило, сначала преобразуется в электрическую (тепловоз с электропередачей) или  энергию другого вида, а затем уже в механическую, которая и вращает колёса. Цель такой передачи — обеспечить близкий к оптимальному режим работы дизеля в разных точках графика тяговой характеристики локомотива.

Виды передач

Основной трудностью при попытках соединить вал дизеля напрямую с колёсными парами является разгон тепловоза и запуск дизеля. Делались попытки применить для этого сжатый воздух (то есть дизель при трогании с места работал как пневматический двигатель), однако запасов сжатого воздуха в баллонах не хватало для нормального разгона локомотива.

Механическая передача

Механическая  передача включает фрикционную муфту  и коробку передач с реверс-редуктором; она обладает малым весом и  высоким КПД, однако при переключении передач неизбежно возникают  рывки. На практике её используют на локомотивах малой мощности (мотовозах), дизель-поездах, дрезинах и автомотрисах.

Электрическая передача

Экспортный советский  тепловоз с передачей переменно-постоянного  тока ТЭ109

Более эффективной  передачей стала электрическая, при которой вал дизеля вращает  якорь тягового генератора, питающего  тяговые электродвигатели (ТЭД). В свою очередь вращательное движения якоря ТЭД передаётся колёсной паре с помощью осевого редуктора. Редуктор представляет собой соединённые зубчатые колёса, располагающиеся на якоре ТЭД и оси колёсной пары. В случае электропередачи поддерживается гиперболическая тяговая характеристика, когда увеличение сопротивления движения вызывает увеличение силы тяги, а уменьшение — ускорение локомотива. Электропередача позволяет соединять несколько секций тепловоза и управлять ими по системе многих единиц из одной кабины. Минусом её является большая масса и относительная дороговизна необходимого оборудования. В случае электропередачи возможно использование электродинамического торможения, суть которого заключается в использовании ТЭД в качестве генераторов, за счёт сопротивления вращению вала якоря которых осуществляющих торможение тепловоза (вырабатываемая электроэнергия гасится в тормозных резисторах). По сравнению с пневматическими тормозами электродинамическое торможение более эффективно, меньше износ тормозных колодок, снижается опасность юза колёсных пар.

Первоначально в тепловозах использовалась передача постоянного тока, однако в дальнейшем (в СССР это был конец 1960-х годов) передачу стали постепенно переводить на переменный ток. Первоначально на переменном токе стал работать генератор, после которого ток всё же выпрямлялся с помощью выпрямительной установки, далее поступая на ТЭД постоянного тока. В СССР первыми серийными тепловозами с передачей переменно-постоянного тока стали грузопассажирский экспортный ТЭ109, пассажирский ТЭП70 и грузовой 2ТЭ116.

Первый в мире тепловоз с асинхронными ТЭД переменного  тока был построен компанией Brush Traction, а первым отечественным опытом использования  асинхронных ТЭД стал опытный  тепловоз ВМЭ1А^[1]. Особенностью использования асинхронных ТЭД является необходимость управления частотой их вращения для получения необходимой характеристики. В 1975 году в СССР на базе тепловоза ТЭ109 был построен опытный тепловоз ТЭ120 с электрической передачей переменного тока, где и генератор, и ТЭД использовали переменный ток. Электрической передачей переменного тока оснащён современный отечественный маневровый тепловоз ТЭМ21.

Использование генераторов и ТЭД переменного  тока позволяет увеличить их мощность, а также снизить массу, повысить надёжность эксплуатации и упростить их обслуживание. Использование асинхронных тяговых двигателей, ставшее возможным после появления полупроводниковых тиристоров, значительно снижает возможность боксования тепловоза, что позволяет уменьшить массу локомотива, сохраняя его тяговые свойства. Даже в случае использования промежуточного выпрямительного блока применение генератора переменного тока и асинхронных ТЭД оказывается экономически оправданным. Передачи постоянного тока отличаются сравнительной простотой конструкции и продолжают использоваться на тепловозах мощностью до 2000 л. с.

Гидравлическая передача

В гидравлической передаче механическая энергия вала дизеля передаётся колёсной паре с  помощью гидравлического оборудования (гидромуфт и гидротрансформаторов). В общем виде гидравлическое оборудование представляет собой комбинацию насосного колеса, связанного с валом двигателя, и турбинного колеса, соединённого с осью колёсной пары. Насосное и турбинное колесо находятся на небольшом расстоянии друг от друга, а промежуток между ними заполнен жидкостью (маслом), передающей энергию вращения насосного колеса турбинному. Регулировка передаваемого крутящего момента осуществляется изменением количества рабочей жидкости (масла) на лопатках насосного и турбинного колеса. Гидравлическая передача легче, чем электрическая, не требует расхода цветных металлов, но обладает меньшим КПД. В СССР применялась главным образом на маневровых тепловозах, а также на магистральных тепловозах малой мощности (ТГ102, ТГ16, ТГ22).

Делались также попытки создания тепловоза с воздушной и газовой передачей, однако они были признаны неуспешными.  

Пульт машиниста маневрового тепловоза ЧМЭ3

Пульт машиниста  немецкого тепловоза DB-Baureihe 217 
 
 
 
 
 

Теплоэлектровоз Маневровый (ТЭМ-2)

Технические характеристики тепловоза ТЭМ-2 и его модификации  

 

В 1959г. на Брянской машиностроительном заводе под руководством главного конструктора П.И. Аронова и начальника конструкторского тепловозостроительного бюро В.А. Долгова разработан технический проект усиленного тепловоза серии ТЭМ1. Для этого тепловоза Пензенским дизельным заводом на базе дизеля 2Д50 разработан более мощный дизель ПД1 (Пензенский дизель, 1-й тип), а Харьковским заводом «Электротяжмаш» - главный генератор ГП-300.

При рассмотрении проекта отдельные специалисты  высказывались за нецелесообразность его осуществления, мотивируя это необходимостью создания маневрового тепловоза такой мощности не с электрической, а с гидравлической передачей.

В 1960 г. завод  выпустил два, а в 1961 г. еще один маневровый тепловоз повышенной мощности, которые  получили обозначение серии ТЭМ2.

Конструкция кузова у этих тепловозов незначительно  отличается от кузова тепловозов ТЭМ1 первых выпусков: боковые стенки кабины машиниста выполнены без наклона  для лучшего обозрения пути. Тележки  тепловозов выполнены с восьмилистовыми рессорами, резиновыми амортизаторами; боковые опоры кузова - с парой трения «сталь» по сплаву ЦАМ9-1,5.

У дизеля ПД1, опытно-конструкторские  работы при создании которого проводились  в 1959 г., несколько повышены против дизеля 2Д50 давление надувочного воздуха, степень сжатия и введено промежуточное охлаждение надувочного воздуха водой. При сохранении числа и диаметра цилиндров (318 мм), хода поршня (330 мм), веса (16600 кг) и небольшом увеличении скорости вращения вала (с 740 до 750 об/мин) это дало возможность увеличить номинальную мощность с 1000 до 1200 л. с. Расход топлива при номинальной мощности - 178-179 г/э. л. с. ч.

 

 

Главный генератор  ГП-300 постоянного тока с независимым возбуждением и самовентиляцией с восемью главными и восемью дополнительными полюсами при скорости вращения якоря 750 об/мин имеет номинальную мощность 780 кВт (напряжение 645/900 в; ток 1210/865 а), вес генератора - 5100 кг. Возбудитель, вспомогательный генератор, компрессор, запасы топлива, масла и песка оставлены такими же, как и на тепловозах ТЭМ1.

На тепловозах установлены тяговые электродвигатели ЭДТ-340В, которые отличаются от электродвигателей  ЭДТ-Э40Г первой партии тепловозов ТЭ10 конструкцией моторно-осевых подшипников. Редуктор выполнен с передаточным отношением 15:68=1:4,53. Тяговый электродвигатель ЭДТ-340В на маневровом тепловозе ТЭМ2 имеет длительную мощность 108 кВт (напряжение 220 в, ток 590 а), скорость вращения якоря - 260 об/мин. В отличие от тепловозов ТЭМ1 у новых локомотивов тяговые электродвигатели постоянно попарно соединены последовательно, т. е. к генератору, как и на тепловозах ТЭ3, присоединены три параллельные цепи электродвигателей. Кроме «полного» поля, имеются две ступени «ослабленного» подя с возбуждением 48 и 25%.

На тепловозах ТЭМ-2 поставлена электромагнитная порошковая муфта для привода компрессора, применено автоматически регулирование температуры воды и масла дизеля. Вес тепловоза составил 122,4т. При длительном режиме он развивал силу тяги 21500 кг и скорость 11 км/ч. Конструктивная скорость тепловоза - 100 км/ч.

Первые тепловозы  ТЭМ2 поступили для эксплуатации в депо Лихоборы и депо им. Ильича Московской дороги. Один из тепловозов ТЭМ2-0002 прошел в 1961 г. тягово-теплотехнические испытания на экспериментальном кольце ЦНИИ МПС. Испытания показали, что при полной мощности дизель расходует 179 г/э.л.с, ч, полная мощность дизеля используется только до скорости 37 км/ч, так как фактическое «ослабление» поля оказалось ниже расчетного. Применение 16-позиционного контроллера ухудшило маневровые качества тепловоза; рекомендовано снова перейти на 8-позиционный.

На тепловозах, начиная с №0004, вместо тяговых  электродвигателей ЭДТ-340В стали  устанавливать электродвигатели ЭД-104Б, которые имеют номинальную мощность 113 квт (напряжение 208 в, ток 625 а), максимальную скорость вращения якоря 2080 об/мин. Эти электродвигатели отличаются от электродвигателей ЭД-104А тепловозов ТЭ10 диаметром вкладыша моторно-осевого подшипника (увеличен с 210 до 215 мм). Одновременно изменено и передаточное отношение редуктора, которое стало таким же, как на тепловозах ТЭМ1 - 17:75=1:4,41.

С тепловоза  № 0004 применены контроллеры машиниста, главные рукоятки которых имеют  восемь ходовых позиций.

Вместо кислотной  аккумуляторной батареи 32ТН-540 на части  тепловозов установлена батарея 46ТПЖН-550.

В процессе выпуска  тепловозов ТЭМ2 в их конструкцию  вносились изменения. На тепловозах, выпускаемых с 1967 г. (с №016), устанавливались  электродвигатели ЭД-107; эти электродвигатели имеют номинальную мощность 112 кВт (напряжение 215 В, ток 605 А); частота вращения якоря при продолжительном режиме 264 об/мин, максимальная частота вращения 2290 об/мин; вес электродвигателя 3100 кгс.