Вид тяговой характеристики FK=f(V) тепловоза с гидравлической передачей при установившемся режиме работы дизеля (nе ном=const) определяется характером изменения вращающих моментов МТ на турбинных колесах гидроаппаратов, последовательно включаемых в работу. Гидродинамические передачи тепловозов состоят из двух или из трех гидроаппаратов: гидротрансформаторов (ГДТ) и гидромуфт (ГМ). В последние годы наибольшее распространение на тепловозах получили двухтрансформаторные гидропередачи. На тепловозах малой мощности (до 300 кВт) и рельсовых автобусах на маршевых ступенях гидропередач часто применяют гидромуфты. Например, гидропередача ΓΜ23Β тепловоза ТГМ23В скомпонована по схеме ГДТ + ГМ + ГМ. Включение или выключение тягового режима работы ГДТ и ГМ осуществляется путем наполнения или опорожнения круга циркуляции соответствующего аппарата. Учитывая, что насосные колеса всех ГД Т и ГМ передачи кинематически связаны с коленчатым валом дизеля, а турбинные колеса — околесными парами тепловоза, характеристики работающего гидроаппарата передачи существенным образом влияют на параметры движения и тяговую характеристику тепловоза.
На первой (пусковой) ступени скорости передачи тепловоза применяют лишь ГД Т, на второй и третьей ступенях — как ГДТ, так и ГМ.
Графическое изображение изменения вращающих моментов на насосном Мн и турбинном Мт валах, а также к.п.д. гидроаппаратов в зависимости от частоты вращения турбинного вала nт (или передаточного отношения i = nт/nн) при номинальном режиме работы дизеля nе ном = const и постоянной вязкости рабочей жидкости называется внешней универсальной характеристикой гидроаппарата (ГДТ и ГМ). Обычно внешняя универсальная характеристика гидроаппарата соответствует максимальной позиции рукоятки контроллера машиниста. Универсальные характеристики ГДТ и ГМ для промежуточных позиций контроллера машиниста называются частичными. Универсальные характеристики ГДТ и ГМ получают при стендовых испытаниях, а также расчетным путем. На рис. 25 приведены внешние универсальные характеристики тепловозных ГД Т (а) и ГМ (б).
Рис. 25. Внешние универсальные характеристики тепловозных гидротрансформаторов (а) и гидромуфт (б)
Как следует из рис. 25, а, гидротрансформатор по своим характеристикам почти идеально подходит для передачи энергии от коленчатого вала дизеля к колесным парам тепловоза. Вращающий момент на насосном колесе ГДТ практически постоянен и не зависит от частоты вращения и нагрузки на турбинное колесо. В реальных тепловозных ГДТ имеются определенные отклонения этого параметра (пунктирные линии на рис. 25, а), которые свидетельствуют о возможности недогрузки или перегрузки дизеля гидротрансформатором.
Вращающий момент на турбинном колесе Мт изменяется плавно, примерно по закону гиперболической линии, от наибольшего значения при режиме трогания тепловоза с места (/ = 0) до пересечения с осью абсцисс. Плавное (бесступенчатое) изменение величины Мт происходит благодаря наличию в круге циркуляции ГДТ неподвижного лопастного колеса-реактора.
Вращающий момент на турбинном колесе Мт для гидротрансформатора, Н-м:
мт=мн±мр,
где Мн — вращающий момент на насосном колесе, Н·м; Мр — вращающий момент на реакторе, Н·м.
На рис. 25, а знаками «+» и «-» отмечены диапазоны работы ГДТ, в которых вращающий момент на реакторе Мр положителен или отрицателен.
Отношение вращающих моментов на турбинном и насосном колесах называют коэффициентом трансформации К. В момент трогания тепловоза с места величина К0 для тепловозных ГДТ достигает 8 — 9.
Кривая к.п.д. ГДТ имеет вид параболы с вершиной, соответствующей расчетному режиму работы с наибольшей экономичностью. Характер этой кривой определяется природой потерь энергии на удар и на трение рабочей жидкости в круге циркуляции ГДТ.
На рис. 25, б показаны характеристики гидравлической муфты: ΜΗ, Μτ и к.п.д. ηΓΜ в зависимости от передаточного отношения i. Вид кривой моментов Мт = Мн свидетельствует о высокой способности гидромуфты к перегрузке двигателя даже при незначительном снижении частоты вращения турбины. Зависимость к.п.д. гидромуфты от передаточного отношения формируется в соответствии с уравнением прямой линии, проходящей через начало координат, т.е. равенством ηΓΜ=ι. Передачу номинального вращающего момента рассчитывают дня режима с наибольшим значением к.п.д. гидромуфты.
Из характеристик гидромуфты, представленных на рис. 25, б, следует, что эти гидроаппараты являются высокоэкономичными, однако они практически непригодны для использования на тех режимах работы локомотива, когда требуются значительные тяговые усилия и их изменения.
Из характеристик гидротрансформатора и гидромуфты также видно, что их экономически выгодное использование в передаче ограничено сравнительно узким диапазоном изменения передаточного отношения или скорости движения локомотива. Так, один гидротрансформатор при к.п.д. η > 80 % позволяет получить изменение скорости движения примерно в 2 раза. Диапазон экономичной работы гидромуфты еще меньше.
Это обстоятельство является недостатком ГДТ и ГМ и приводит к тому, что на тепловозах применяют многоциркуляционные передачи, обеспечивающие полное использование мощности дизеля во всем скоростном диапазоне работы тепловоза. В среднем один гидроаппарат обеспечивает экономичную работу силовой установки тепловоза в диапазоне скорости ∆V= 20-30 км/ч.
Выбор гидроаппаратов для совместной (последовательной) работы в проектной гидропередаче тепловоза осуществляется путем совмещения экономических η =f(i) и нагрузочных γλ =f(i) характеристик ГДТ и ГМ из условия, что к.п.д. передачи в скоростном диапазоне работы не снизится ниже 80 % (рис. 26). Предпочтительно, чтобы энергоемкости γλ двух последовательно работающих в передаче ГДТ были достаточно близкими по значению друг к другу в момент переключения скорости тепловоза. Этим предотвращается просадка частоты вращения вала дизеля и некоторая потеря силы тяги тепловоза в момент перехода с одного ГД Т на другой.
Для оценки тяговых качеств проектируемого тепловоза с гидропередачей необходимо рассчитать и построить предварительную его тяговую характеристику. При этом необходимо иметь: приведенные характеристики ГД Т и ГМ передачи; точки или зоны совместной работы дизеля и ГД Т или ГМ; кинематическую схему проектной ГДП; значения передаточных чисел зубчатых зацеплений механической трансмиссии передачи.
Рис. 26. Совмещение характеристик двух гидротрансформаторов гидропередачи тепловоза
Приведенные (безразмерные) характеристики ГДТ представляют собой зависимости коэффициента трансформации момента К, энергоемкости γλ и к.п.д. η от передаточного отношения i.
Такие характеристики получают на основе универсальных характеристик ГДТ и ГМ с использованием следующих зависимостей:
- коэффициент трансформации ГДТ:
- энергоемкость:
где Dа — активный диаметр, м; пн — частота вращения насосного вала, мин-1; Мн — вращающий момент на насосном колесе, Н · м;
- передаточное отношение:
где nт — частота вращения турбинного вала, мин-1;
-κ.п.д.:
Точки совместной работы дизеля и гидротрансформатора или гидромуфты на тепловозе получают согласованием их характеристик. Дизель в сочетании с гидропередачей представляет собой новую единую систему дизель-гидравлическую установку, имеющую новые характеристики.
Равновесное состояние этой единой системы определяется энергетическим балансом
где Ne ном — мощность дизеля на номинальном режиме, кВт; мощность, подводимая к насосному колесу гидропередачи, кВт; β — доля затрат мощности дизеля на привод вспомогательных механизмов тепловоза:
где ΣΛ^η — суммарные затраты мощности дизеля на привод вспомогательных механизмов тепловоза, кВт.
Учитывая, что механическая мощность N = ωМ = пМ, получим
(2.28)
где ηпр — к.п.д. повышающего редуктора.
Из уравнения (2.28) определим величину вращающего момента насосного колеса ГДТ Мне (Н · м), приведенного к валу дизеля
(2.29)
где Uпр — передаточное число повышающего редуктора, Unp=nе/nH; Мн — вращающий момент на насосном валу, Н · м:
ΜΗ=γλ-10-D/n. (2.30)
Подставляя (2.30) в уравнение (2.29),окончательно получим, Н · м:
На рис. 27 показано совмещение характеристик дизеля Мне =f (n/e) =f(nе) и «непрозрачного» гидротрансформатора Мне =f(nе), энергоемкость которого не зависит от скорости движения тепловоза. Пересечение характеристики ГДТ Мне =f(nе) со скоростной характеристикой дизеля и дает режим их совместной работы на тепловозе (точка «С» на рис. 27). Если полученная точка «С» совместной работы дизеля и передачи не удовлетворяет заданным условиям и ее нужно перенести, например, в точку «С'», это можно сделать за счет изменения величины Dа или передаточного числа Uпр повышающего редуктора. Например, при увеличении активного диаметра Dа парабола нагружения Мне = f(nс) пойдет круче, а при уменьшении Da более полого и наоборот, при увеличении Unp парабола нагружения переместится вправо, а при уменьшении Unp — влево. Обычно на тепловозах регулируют величину передаточного числа повышающего редуктора и тем самым обеспечивают работу дизель-гидравлической установки при номинальном (самом экономичном) режиме.
Рис. 27. Совмещение характеристик дизеля и «непрозрачного» гидротрансформатора
Согласование характеристик дизеля и «прозрачного» ГДТ, у которого энергоемкость γλ Ф const, так же производится с использованием формулы (2.31). Разница состоит в том, что энергоемкость «прозрачного» ГДТ зависит от передаточного отношения ГДТ (т.е. скорости движения тепловоза). Следовательно, для каждого значения i существует свое значение γλ и своя парабола нагружения Mне = f(nе). В качестве примера на рис. 28 показано совмещение характеристик дизеля и ГДТ, имеющего прямую прозрачность. Если полученная зона (не точка!) a-d не удовлетворяет условиям совместной работы, нужно также изменить Da или Uпр. Согласование характеристик гидромуфты и дизеля (рис. 29) производится тем же методом, что и «прозрачного» гидротрансформатора.
Текущие значения касательной силы тяги FK локомотива при работе на i-м гидроаппарате, Н:
(2.32)
где Mei — вращающий момент на валу дизеля, соответствующий точкам совместной работы дизеля и i-го гидроаппарата, Н · м; ira — текущее значение передаточного отношения гидроаппарата в диапазоне его работы; ηгаi — текущее значение к.п.д. i-го гидроаппарата, определяется по характеристике η гаi =f(i); UMexi — передаточное число механической трансмиссии передачи при работе на /'-м гидроаппарате.
Рис. 28. Совмещение характеристик дизеля и «прозрачного» гидротрансформатора
Рис. 29. Совмещение характеристик дизеля и гидромуфты
В общем случае передаточное число ί/Μβχι· механической трансмиссии тепловоза можно определить из выражения
где Uci — передаточное число силовых зубчатых колес, входящих в зацепление при работе i-го гидроаппарата; Uрр — передаточное число реверс-редуктора; Up — передаточное число режимного редуктора, обеспечивающего работу тепловоза в маневровом или поездном режимах; Uор — передаточное число осевого редуктора; С7 — коэффициент, учитывающий постоянные члены уравнения (2.32):
где ηцz1 — общий к.п.д. цилиндрических зубчатых колес, входящих в передачу при числе зацеплений z 1; ηκz2 — общий к.п.д.
конических зубчатых колес, входящих в передачу при числе зацеплений z2; ηκπ — общий к.п.д. всех карданных приводов колесных пар.
Текущие значения скорости Vi движения локомотива при работе на ι-м гидроаппарате, км/ч:
(2.33)
где nei — частота вращения коленчатого вала дизеля, соответствующая точкам совместной работы дизеля и ι'-го гидроаппарата, мин-1.
К.п.д. проектной гидропередачи
К.п.д. локомотива с проектной гидропередачей 
где ηΕ — эффективный к.п.д. дизеля
где QH — -теплота сгорания 1 кг дизельного топлива, кДж, Qн-42700кДж; ge — удельный эффективный расход топлива дизелем тепловоза, кг/кВт · ч.
В качестве примера на рис. 30, а приведена расчетная тяговая характеристика тепловоза с двухтрансформаторной гидравлической передачей. Д ля избежания ложного срабатывания системы автоматического управления работой гидравлической передачи скорости прямого (V1-2) и обратного (V2-1) переключений с одного ГДТ на другой должны отличаться на 5-7 км/ч. Зависимость касательной мощности Νκ тепловоза с двухтрансформаторной гидравлической передачей от скорости движения показана на рис. 30, б.
Определение касательной мощности NKi тепловоза проводилось по следующей формуле, кВт:
Из рис. 30 следует, что гидравлическая передача в целом обеспечивает достаточно полное использование мощности дизеля во всем рабочем диапазоне изменения скоростей движения тепловоза.
Рис. 30. Расчетные характеристики тепловоза с гидравлической передачей:
а — тяговая характеристика; б — кривая изменения касательной мощности