Содержание материала

Тяговые характеристики тепловоза с электрической передачей

Как известно, касательная (на ободе колес) мощность ЛГК тепловоза всегда меньше (на 20 — 30 %) эффективной мощности Ne дизеля этого локомотива. По целому ряду причин, например, из-за ограничений весо-габаритных параметров тепловозов, мощность его силовой установки (дизель-генератора) ограничена по величине. Соответствующие ограничения имеет поле тяговых характеристик тепловоза.
В связи с тем, что тепловозные дизели работают в эксплуатации на переменных режимах по мощности от номинальной (полной) мощности до холостого хода, касательная мощность тепловоза Νκ является также переменной величиной, зависящей, в основном, от режимов работы дизеля.
В реальной эксплуатации управлять работой силовой установки и тепловоза в целом можно, изменяя конкретные параметры и характеристики тепловозного дизеля. Характеристиками дизеля называют зависимости между различными параметрами на заданных режимах его работы.
Основной характеристикой тепловозного дизеля является эффективная (на коленчатом вале дизеля) мощность Ne, которая может быть рассчитана по следующей зависимости, кВт:
(2.9)
где 100/3  —  коэффициент, зависящий от единиц измерения; ре — эффективное давление, МПа; τ — тактность дизеля; ле — частота вращения вала дизеля, мин-1; z — число цилиндров; Vh — рабочий объем цилиндра тепловозного дизеля, м3:

где D — диаметр цилиндра, м; S — ход поршня, м.
Из формулы (2.9) следует, что в реальной эксплуатации машинист имеет возможность управлять работой дизеля, изменяя лишь два параметра: частоту вращения коленчатого вала дизеля ле и среднее эффективное давление ре. Следовательно, формулу (2.9) можно значительно упростить:
(2.10)
где С1  — коэффициент, учитывающий влияние постоянных параметров на эффективную мощность дизеля, который определяется как

Рассмотрим основные свойства тепловозного дизеля, в разной степени влияющие на тяговые свойства автономного локомотива.
Свойство 1. Эффективную мощность тепловозного дизеля можно регулировать изменениями двух основных параметров: частоты вращения коленчатого вала дизеля ле и среднего эффективного давления ре.
Из курса «Локомотивные энергетические установки» известно, что величина среднего эффективного давления ре в основном зависит от удельного эффективного расхода топлива в цилиндре ge при обеспечении заданного давления наддувочного воздуха. При постоянном положении органа подачи топлива — рейки топливных насосов дизеля, величина удельного эффективного расхода топлива ge не изменяется, т.е. ge=const. В этом случае (при gе=const) среднее эффективное давление является постоянной величиной, т.е. ре=const.
Выражение (2.10.) преобразуется в уравнение прямой, проходящей через начало координат, кВт:
(2.11),
где С2  —  постоянный коэффициент, С2 = Сtpe.
Таким образом, при постоянной подаче топлива эффективная мощность дизеля прямо пропорциональна частоте вращения коленчатого вала nе.
На рис. 10 приведены теоретические характеристики изменения эффективной мощности тепловозного дизеля Ne от частоты вращения коленчатого вала пе для трех значений удельного эффективного расхода топлива gel, ge2, ge3 (показаны штриховыми линиями).
В реальных тепловозных дизелях характер изменения эффективной мощности Ne=f (ne) при gе = const несколько отличается от теоретического. Разница реальных и теоретических характеристик на рис. 10. показана в виде заштрихованной площади.

Рис. 10. Теоретические и опытная характеристики тепловозного двигателя при ре1, ре2, ре3

Свойство 2. Тепловозный дизель работает устойчиво в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала от наименьшего до максимального значений (см. рис. 10).
Наименьшая частота вращения примерно соответствует холостому ходу дизеля. Для каждого типа тепловозного дизеля величина устанавливается отдельно при приемо-сдаточных испытаниях и находится в пределах от 25 до 40 % максимального (номинального) значения частоты вращения вала дизеля.
Возможность эксплуатации дизеля при nе < пс xx ограничена следующими обстоятельствами: наблюдаются нестабильность величины nе и снижение устойчивости работы дизеля при постоянном положении органа подачи топлива; снижается вязкость дизельного масла и повышаются потери на механическое трение; увеличиваются отложения нагара на некоторые детали дизеля и возможность попадания в зону критических резонансных частот валопровода. И главное — при уменьшении частоты вращения коленчатого вала пе<пехх ухудшаются условия для полного сгорания и надежного самовоспламенения топлива, так как при снижении скорости движения поршня уменьшаются давление и количество свежего заряда воздуха в конце такта сжатия в цилиндре дизеля.
Наибольшая частота вращения коленчатого вала дизеля nе устанавливается по условиям прочности и долговечности конструкции, поскольку при увеличении величины пе возрастает износ деталей дизеля, работающих в условиях трения скольжения. Также при nе > nеmax возрастают механические потери, а эффективный к.п.д. дизеля резко падает. В двухтактных дизелях при увеличении частоты вращения коленчатого вала более величины nеmax ухудшается очистка цилиндров от продуктов сгорания, что дополнительно снижает экономичность рабочего процесса. Обычно для тепловозных дизелей наибольшая частота вращения коленчатого вала nе совпадает с ее значением на номинальном режиме nе ном, то есть nе ном=ne mах.
Номинальный режим для каждого типа дизелей устанавливается заводом-изготовителем. При этом режиме заводом гарантируется надежная работа узлов дизеля при их длительной эксплуатации. Номинальному режиму (точка А на рис. 10) соответствуют номинальная эффективная мощность дизеля Ne и номинальная частота вращения коленчатого вала nе ном.
Графическая зависимость эффективной мощности Ne от частоты вращения ие в диапазоне ис ^ - яе ном, проходящая через номинальный режим работы (линия A-В на рис. 10) при постоянном положении органа подачи топлива, называется внешней скоростной характеристикой дизеля.
Необходимо также отметить, что в диапазоне пехх-пе ном дизель работает устойчиво не при любых nе, а при определенных фиксированных значениях, которые устанавливаются машинистом в соответствии с позицией рукоятки его контроллера. Таких фиксированных положений на тепловозе обычно бывает от 8 до 15 (на тепловозах ТЭ3 и ТЭ7  — 16). Каждой позиции рукоятки контроллера машиниста соответствует своя величина удельного эффективного расхода топлива. Вертикальными линиями на рис. 10 показаны нагрузочные характеристики дизеля, соответствующие фиксированным частотам вращения коленчатого вала.
Свойство 3. Дизель не запускается под нагрузкой. В момент запуска дизеля его коленчатый вал должен быть отсоединен от колесных пар локомотива.
Свойство 4. Для пуска дизеля необходим дополнительный (посторонний) источник энергии. На тепловозах для этой цели используют электрические машины постоянного тока, получающие электроэнергию в момент запускают аккумуляторных батарей локомотива.
Свойство 5. Эффективный вращающий момент дизеля в рабочем диапазоне частот вращения nе хх - пе ном изменяется незначительно. Связь между вращающим моментом Ме, эффективной мощностью Ne и частотой вращения пе коленчатого вала тепловозного дизеля можно выразить следующей формулой, Н-м:
(2.12)
где С3  —  постоянный коэффициент, С3 = 974.
Подставив в выражение (2.12) уравнение (2.10), получим, Н · м:
(2.13)
где С4  —  постоянный коэффициент, С4 = Cj · С3 = 974С,.
При неизменном положении органа подачи топлива среднее эффективное давление ре является постоянной величиной, т. е. ре = const. В соответствии с выражением (2.13) величина эффективного момента Ме при ре = const также будет постоянной, не зависящей от изменения частоты вращения коленчатого вала дизеля. На рис. 11 теоретическая характеристика Ме =f(nе) показана штриховой линией. Вследствие различий в теоретическом и действительном рабочих процессах, происходящих в цилиндре дизеля, реальная характеристика эффективного момента в рабочем диапазоне дизеля пе хх - пе ном будет несколько отличаться от теоретической характеристики Ме = f(nс). Разница между этими характеристиками показана на рис. 11 заштрихованной площадью.
Зададимся вопросом, как это свойство может отразиться на тяговых возможностях локомотива? Представим, коленчатый вал дизеля с помощью механической муфты сцепления (для реализации свойства 3 дизеля) напрямую соединили с колесными парами тепловоза. При таком способе передачи эффективной мощности вращающий момент на ободе колес колесных пар локомотива Мк будет равен эффективному моменту на валу дизеля Ме, т. е. Мк=Ме.

Рис. 11. Теоретическая и опытная зависимости вращающего момента Ме от частоты вращения коленчатого вала дизеля пе

Кстати, именно таким путем шел изобретатель дизеля немецкий ученый Рудольф Дизель, который в 1912 году по заказу прусских железных дорог построил пассажирский тепловоз мощностью 880 кВт с непосредственной передачей мощности дизеля. Уже после первых опытных поездок выявилась полная непригодность этого тепловоза для работы на железных дорогах, и в 1914 году локомотив был продан на слом. В чем же главная причина неудачи Рудольфа Дизеля?
Как известно, величина силы тяги FK, создаваемая при взаимодействии колесных пар локомотива с рельсами, зависит от Мк и диаметра колесных пар DK, т.е. при отсутствии скольжения FK = 2MK/DK. В соответствии со свойством 4 тепловозного дизеля имеем Ме = const. В этом случае для тепловоза с непосредственной передачей имеет место равенство Мк=МС=const. Следовательно, величина силы тяги FK, создаваемая этим локомотивом, не будет изменяться во всем скоростном диапазоне работы тепловоза, т.е. FK = const. На рис. 12 показана тяговая характеристика FK=f(V) тепловоза с непосредственной передачей.
Чем такая тяговая характеристика не удовлетворяет тяговым свойствам локомотива?
Касательная мощность тепловоза Νκ может быть определена с помощью следующего равенства, кВт:
(2.14)
где FK — касательная сила тяги, Η; V- —  скорость движения, км/ч.

Рис. 12. Тяговая характеристика тепловоза непосредственного действия:        —  теоретическая кривая;     —  реальная кривая

Как уже ранее отмечалось, для тепловоза с непосредственной передачей во время его движения значение силы тяги не будет изменяться, так как FK=const. В этом случае равенство (2.14) преобразуется в уравнение прямой, проходящей через начало координат NK = С5 V, где С5 — постоянный коэффициент; С5=F|3600. На рис. 12 также показан характер изменения касательной мощности тепловоза с непосредственной передачей. Что означает такой характер изменения касательной мощности? В момент трогания и разгона тепловоза с составом поезда при таком типе передачи касательная мощность на ободе колес отсутствует, т.е. NK=0. Нужен еще один локомотив, который бы предварительно разогнал такой поезд. А если произойдет непредвиденная остановка поезда на перегоне? Это и ряд других серьезных обстоятельств доказывают ошибочность пути, выбранного Рудольфом Дизелем при создании тепловоза с непосредственной передачей.
Если рассматривать дизель как силовую установку транспортного средства, работающего при переменных скоростях движения, то его свойство 5 является принципиальным недостатком тепловозных дизелей.
Свойство 6. Дизель не допускает перегрузок. Различия между значениями вращающего момента нагрузки на коленчатый вал дизеля и номинального эффективного момента Mеном (см. рис. 11) не должны превышать 5%. В противном случае дизель может заглохнуть, что чревато остановкой поезда, например, при движении по расчетному подъему.
Свойство 7. Тепловозные дизели не реверсивны. Другими словами, дизели могут работать при строго определенном направлении (например, по часовой стрелке) вращения коленчатого вала. В свою очередь тепловоз должен иметь возможность изменять направление своего движения. Это также серьезный недостаток тепловозных дизелей. В принципе построить реверсивный дизель несложно, и такие конструкции применяются в качестве силовых установок морских судов. При этом заметно усложняются конструкции кулачковых валов приводов клапанов и дизеля в целом, что отрицательно сказывается на надежности среднеоборотных д.в.с., применяемых на тепловозах.
Свойство 8. Экономичность дизеля в рабочем диапазоне частоты вращения коленчатого вала пе xx - пе ном неодинакова.
Обычно экономичность дизеля оценивают величинами эффективного удельного расхода топлива ge, кг/(кВт · ч), и эффективного к.п.д. дизеля. Физический смысл удельной величины g такой — сколько килограмм топлива нужно сжечь в цилиндре дизеля, чтобы получить 1 кВт мощности в течение 1 часа. Величину определяют экспериментальным путем.
Эффективный к.п.д. дизеля определяют по следующей зависимости:
(2.15.)
где QH  —  низшая теплота сгорания 1 кг топлива, кДж/кг.
На рис. 13 приведены удельные характеристики экономичности тепловозных дизелей, gt=f (nе) и ηβ =f(nе). Из рис. 13 следует, что наивысшая экономичность дизеля примерно соответствует номинальному режиму его работы. Современные тепловозные дизели на номинальных режимах работы имеют удельные эффективные расходы топлива ge ном в пределах 0,2 — 0,22 кг/(кВт ч) и эффективный к.п.д. ηβ = 0,39 — 0,43.
Перечисленные свойства позволяют сделать вывод о том, что дизель, как двигатель, плохо приспособлен к тяговой (транспортной) службе, т.е. к эксплуатации, когда нужно в несколько раз изменять величину вращающего момента на колесных парах, при этом поддерживать заданный уровень мощности при изменении скорости движения и т.д.

Рис. 13. Экономические характеристики тепловозного дизеля

Как известно, несоответствия между тяговыми свойствами тепловозного дизеля и требованиями тяговой службы устраняют применением специальных промежуточных устройств, которые называют передачей тепловоза. В зависимости от способа и средств передачи энергии от коленчатого вала дизеля к колесным парам на тепловозах практическое применение имеют три типа передач: электрическая, гидродинамическая и механическая.