МАГИСТРАЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЗ С ГИДРОПЕРЕДАЧЕЙ

Настоящая полезная модель относится к железнодорожному машиностроению, в частности, к оборудованию локомотивов, предназначенных для эксплуатации на железнодорожных магистралях о. Сахалин с шириной колеи 1067 и на общесетевой колее шириной 1520 мм.
Из предшествующего уровня техники известен тепловоз с гидравлической передачей ТГ106. Кузов тепловоза выполнен в виде сварной несущей конструкции с боковыми стенками, образующими раскосные фермы. Кузов опирается на две трехосные бесшкворневые бесчелюстные тележки. На тепловозе установлено два двухтактных V-образных дизеля 4Д40 Коломенского тепловозостроительного завода. Пуск дизелей производился электростартером. Вращающий момент от каждого дизеля передавался на колесные пары тележки, над которой он был расположен. Вал дизеля через упругую муфту соединен с гидравлической передачей, расположенной на раме тепловоза. Каждая силовая установка (дизель-гидропередача) имеет по две холодильных камеры, в которых расположены водяные секции охлаждения. На тепловозе установлен вспомогательный генератор П-91 завода «Электротяжмаш», служащий одновременно стартером, и кислотная аккумуляторная батарея типа 48ТН-450 емкостью 450 а-ч и напряжением 96 в. Сжатый воздух для тормозной системы вырабатывает дизель-компрессор ДК-3/9. (Раков В.А. «Опытные тепловозы»; Локомотивы отечественных железных дорог 1956-1965. - М.: Транспорт, 1966. - с. 116-119).
Недостатком известного тепловоза является то, что из-за использования поршневого компрессора необходимость в капитальном ремонте возникает каждые 16 тыс. моточасов. Это объясняется тем, что возвратно-поступательное движение поршня в поршневых агрегатах способствует износу, поэтому требуется частая замена клапанов, поршневых колец, вкладышей и других быстроизнашивающихся деталей. К тому же, для стабильной работы поршневого агрегата требуются дополнительные приточные и вытяжные вентиляторы, что ведет к увеличению энергозатрат. Это существенно снижает эксплуатационную эффективность тепловоза.
Также надежность тепловоза снижается за счет того, что для вращения поршневого компрессора использована клиноременная передача, обладающая, как известно, невысоким эксплуатационным ресурсом. Вращение поршневого компрессора осуществляется от вала дополнительного отбора мощности одного из дизелей, а вращение вспомогательного генератора - от вала отбора мощности одной из гидропередач, вследствие чего значительное количество узлов и деталей подлежат осмотру, регулировке или замене. Вспомогательный генератор установлен на корпусе гидропередачи, что способствует дополнительным динамическим нагрузкам на вспомогательный генератор и уменьшает срок его службы.
Наиболее близким к заявленному решению является магистральный тепловоз серии ТГ16 мощностью 3280 (2×1640) л.с. с гидравлической передачей, состоящий из двух однокабинных секций, которые при необходимости могут быть использованы как самостоятельные локомотивы, и предназначен для грузовой и пассажирской работы на железных дорогах Южного Сахалина с шириной колеи 1067 мм.
В передней части секции тепловоза расположена кабина машиниста, в которой размещены пульт управления тепловозом, привод ручного тормоза, пульт радиостанции, шкаф для продуктов, аптечка и др. На пульте управления для контроля за работой агрегатов и механизмов установлены контрольно-измерительные приборы и световое табло, лампочки которого загораются при отклонении контролируемых параметров от нормы.
Тамбур кузова приварен к раме тепловоза. Справа и слева от тамбура расположены шкафы с электроаппаратурой.
В машинном отделении расположены два дизеля, две гидропередачи, два охлаждающих устройства, поршневой компрессор, вспомогательный генератор, топливоподогреватель, котел подогрева с агрегатами, радиостанция, санузел и.др. вспомогательные устройства.
Силовые установки размещены на главной раме тепловоза, которая опирается через опоры с резиновыми амортизаторами и текстолитовыми скользунами на две двухосные тележки с центральным шкворнем.
Для снижения крутильных колебаний в дизеле М756 В применен силиконовый демпфер. Управление дизелем осуществляется 8-позиционным электропневматическим приводом. Запуск дизеля производится электростартером. Крутящий момент от дизеля к гидропередаче передается через эластичную муфту с торообразной оболочкой (шинного типа).
Для питания тормозной системы и воздушных устройств системы автоматики управления тепловозом установлен поршневой компрессор, приводимый во вращение от вала дополнительного отбора мощности одного из дизелей.
Для питания цепей управления и освещения, для зарядки аккумуляторных батарей служит вспомогательный генератор, который приводится во вращение через клиноременную передачу от вала отбора мощности одной из гидропередач. (Тепловоз ТГ16 / В.Н Логунов, Г.В. Радовский, Е.Н. Чебанова, и др.; Под ред. Г.С. Меликджанова. - М.: Транспорт, 1979.). Данный тепловоз выбран в качестве прототипа.
Недостатком тепловоза, взятого за прототип, является недостаточно высокая надежность из-за использования поршневого компрессора, в результате чего необходимость в капитальном ремонте возникает каждые 16 тыс. моточасов. Это объясняется тем, что возвратно-поступательное движение поршня в поршневых агрегатах способствует износу, поэтому требуется частая замена клапанов, поршневых колец, вкладышей и других быстроизнашивающихся деталей. К тому же, для стабильной работы поршневого агрегата требуются дополнительные приточные и вытяжные вентиляторы, что ведет к увеличению энергозатрат.
Также надежность тепловоза снижается за счет того, что для вращения поршневого компрессора использована клиноременная передача, обладающая, как известно, невысоким эксплуатационным ресурсом. Вращение поршневого компрессора осуществляется от вала дополнительного отбора мощности одного из дизелей, а вращение вспомогательного генератора - от вала отбора мощности одной из гидропередач, вследствие чего значительное количество узлов и деталей подлежат осмотру, регулировке или замене.
Вспомогательный генератор установлен на корпусе гидропередачи, что способствует дополнительным динамическим нагрузкам на вспомогательный генератор и значительно уменьшает срок его службы.
Тепловоз, выбранный за прототип, оснащен неэффективной, устаревшей системой контроля и управления параметрами узлов и аппаратов. Это отражается, в первую очередь, на надежности всей машины.
К недостаткам относится и использование двух электростартеров, служащих для запуска каждого дизеля и одного вспомогательного генератора, что также увеличивает число узлов и деталей, подлежащих осмотру, регулировке или замене.
К недостаткам можно отнести используемый в прототипе блок фильтров воздуха дизельного двигателя, представляющий собой два масляных воздухоочистителя на каждый дизельный двигатель. Данный тип фильтров трудоемок в обслуживании, имеет низкую пропускную способность, при этом достаточно большие габаритные размеры. Блоки фильтров установлены в крыше кузова. Крыши кузова оборудованы люками, предназначенными для обслуживания фильтров. Осмотр, обслуживание и замена блоков отличаются трудоемкостью и значительными временными затратами.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение эксплуатационной эффективности тепловоза, в том числе, его надежности.
Технический результат достигается тем, что известный магистральный тепловоз с гидропередачей, состоящий, по меньшей мере, из одной секции, содержит главную раму, установленную на две двухосные бесчелюстные тележки с тяговыми редукторами, систему управления параметрами узлов и аппаратов, модуль системы охлаждения дизельного двигателя и гидропередачи и установленные на главную раму несущий кузов с крышами, в одной из которых смонтирован блок фильтров воздуха дизельного двигателя, дизельный двигатель, гидропередача, компрессор.
Новым является то, что компрессор выполнен винтовым. Привод винтового компрессора выполнен гидростатическим.
Новым является то, что тепловоз содержит стартер-генератор с постоянными магнитами в роторе, выполняющий функцию электростартера при пуске дизельного двигателя и функцию генератора в процессе работы дизельного двигателя.
Новым является и то, что стартер-генератор установлен на главную раму тепловоза и соединен с валом отбора мощности дизельного двигателя через эластичную муфту и карданный вал.
Новым по сравнению с прототипом является и то, что система управления параметрами узлов и аппаратов выполнена в виде микропроцессорной системы управления и диагностики (МПСУиД).
Новым является также то, что блоки фильтров воздуха дизельного двигателя выполнены с возможностью двухступенчатой очистки.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью существенных признаков, является повышение эксплуатационной эффективности, в том числе надежности, заключающемся в использовании винтового компрессора, который отличается высокой надежностью, поскольку в его конструкции используется минимальное количество трущихся деталей. Его основным компонентом является пара взаимосоотнесенных винтов, которые вращаясь в противоположных направлениях, гонят воздух в специальную камеру для сжатия. При этом зазоры между винтами заполнены маслом, за счет чего трение полностью исчезает. Капитальный ремонт требуется примерно каждые 40 тыс. моточасов, что в 2.5 раза превышает аналогичный показатель прототипа.
Повышение надежности заявляемой полезной модели тепловоза обеспечивается за счет стартер-генератора с постоянными магнитами в роторе, что позволяет заменить два устройства, электростартера и генератора, одним. Данный стартер-генератор отличается от общепромышленных коллекторных стартер-генераторов с обмотками в роторе повышенным КПД и пониженными массогабаритными характеристиками. Стартер-генератор с постоянными магнитами в роторе имеет максимальный момент при пуске дизеля равный 2080 Нм. Это позволяет соединить стартер-генератор с дополнительным валом отбора мощности дизельного двигателя без использования дополнительных механических и клиноременных передач. Поскольку стартер-генератор установлен на раму тепловоза, в отличие от прототипа, это позволяет избежать дополнительных динамических нагрузок и повышает ресурс его работы. Для передачи вращающего момента от вала отбора мощности к стартер-генератору используется эластичная муфта и карданный вал, что позволяет исключить динамические и особенно вибрационные нагрузки с дизельного двигателя на стартер-генератор. Вышесказанное обеспечивает повышенную эксплуатационную эффективность по сравнению с прототипом.
Использование гидростатического привода винтового компрессора позволяет значительно повысить надежность благодаря тому, что гидростатический привод позволяет заменить клиноременную передачу, которая показывает невысокую надежность, и уменьшить количество узлов и деталей, подлежащих осмотру, регулировке или замене.
Установка модуля системы охлаждения дизельного двигателя и гидропередачи на раму тепловоза служит повышению эксплуатационной эффективности по сравнению с прототипом в силу того, что это позволяет обеспечить облегченный доступ к узлам и деталям, подлежащим осмотру, регулировке или замене, упрощению разборки и сборки узлов, исключению необходимости демонтажа/монтажа смежных групп оборудования при замене оборудования при ремонтах, сокращению времени вынужденного простоя тепловоза.
Использование микропроцессорной системы управления и диагностики (МПСУиД) существенно повышает эксплуатационную эффективность и, в том числе, надежность тепловоза благодаря тому, что мониторный блок непрерывно считывает всю информацию, присутствующую в линии обмена для сохранения данных в энергозависимую память, для отображения текущих параметров тепловоза, а также предупредительных и аварийных сообщений о неисправностях оборудования.
Диагностическая информация из мониторного блока по каналу GSM передается на удаленный сервер, например, на пульт диспетчера на станции. Кроме того, при наличии секций тепловоза свыше одной МПСУиД обеспечивает связь между ними по дублированному интерфейсу RS-485 через линии связи СМЕ-1 и СМЕ-2 (интерфейс с повышенным до 12 В уровнем сигнала).
Повышение эксплуатационной эффективности также достигается за счет того, что блоки фильтров выполнены с возможностью двухступенчатой очистки воздуха дизельного двигателя. Первая ступень очистки обеспечивается фильтром грубой очистки циклонного типа, задерживающим твердые частицы размером свыше 20 микрон, который в процессе очистки воздуха самоочищается, что не требует постоянного его обслуживания. Второй ступенью является фильтр тонкой очистки, который при загрязнении меняют на новый. Для достижения такого же уровня производительности, как в прототипе, требуется один блок фильтров на дизельный двигатель вместо двух по прототипу, в то время как качество очищенного воздуха становится существенно выше.
Вся совокупность заявленных существенных признаков обеспечивает соответствие заявляемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 - общий вид секции магистрального тепловоза;
На фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1, вид сверху.
В связи с тем, что общий вид (фиг. 1) и сечение А-А на фиг. 1 (фиг. 2) плохо читаются при вертикальном расположении длинных сторон листа, целесообразно было расположить лист горизонтально, что позволило существенно укрупнить чертеж.
Магистральный тепловоз с гидропередачей, состоящий, по меньшей мере, из одной секции (фиг. 1, фиг. 2), содержит дизельный двигатель 1, микропроцессорную систему 2 управления и диагностики (МПСУиД), главную раму 3, которая установлена на две двухосные бесчелюстные тележки 4.1, 4.2, в которых установлены тяговые редукторы 5.1-5.4. На главную раму установлены: дизельный двигатель, стартер-генератор 6 с постоянными магнитами в роторе, соединенный через эластичную муфту 7 и карданный вал 8 с дополнительным валом 9 отбора мощности. На главной раме также расположены винтовой компрессор 10 с гидростатическим приводом, модуль 11 системы охлаждения дизельного двигателя и гидропередачи. Гидропередача 12 также установлена на главной раме. На главную раму установлен несущий кузов 13, содержащий съемные крыши 14.1-14.5, в одной из которых установлены блоки 15.1, 15.2 двухступенчатой очистки воздуха дизельного двигателя. Каждый блок содержит фильтры 16.1 и 16.2 грубой очистки (1 ступень очистки) и фильтры 17.1 и 17.2 тонкой очистки (2 ступень очистки). Блоки фильтров соединены соответственно с турбокомпрессорами 18.1 и 18.2 дизельного двигателя.
Заявленная полезная модель работает следующим образом. В качестве примера приводится последовательность действий при испытаниях опытного образца магистрального тепловоза с гидропередачей. Производят запуск дизельного двигателя 1 по команде микропроцессорной системы 2 управления и диагностики (МПСУиД). В качестве дизельного двигателя используют двигатель 12ДЛ-21Л производства ООО «Уральский дизель-моторный завод». Достижение необходимого давления (0,6 кгс/см2 в топливной системе и давления 0,3 кгс/см2 в системе подачи масла) обеспечивают топливопрокачивающий агрегат и два маслозакачивающих агрегата (не показаны), установленные на главной раме 3 тепловоза. Главную раму устанавливают на две двухосные тележки 4.1. 4.2, в которых монтируют тяговые редукторы 5.1-5.4. Посредством МПСУиД подают сигнал на топливопрокачивающий агрегат и на два маслозакачивающих агрегата дизельного двигателя. Датчик давления топлива и датчик давления масла, установленные в дизельном двигателе, выдают сигнал о давлении масла и топлива в дизельном двигателе в текущий момент времени. При достижении требуемого давления масла и топлива в дизельном двигателе МПСУиД подает сигнал на стартер-генератор 6 с постоянными магнитами в роторе (производство НПО «Автоматика»). Стартер-генератор с постоянными магнитами в роторе через эластичную муфту 7 и карданный вал 8 передает вращение на дополнительный вал 9 отбора мощности механизма передачи дизельного двигателя, после чего дизельный двигатель начинает работать в обычном режиме.
Стартер-генератор с постоянными магнитами в роторе в свою очередь вырабатывает электроэнергию, которая направлена на питание вспомогательного оборудования тепловоза.
Вращение винтового компрессора 10 (производство ОАО «ЧКЗ») и вентиляторов, расположенных в модуле 11 системы охлаждения дизельного двигателя производится от гидростатических приводов. В процессе работы дизельный двигатель передает вращение от маховика через карданный вал на вал гидропередачи 12 (производство VOITH TURBO, Германия). Гидропередача приводит в действие гидронасосы, являющиеся составной частью гидростатических приводов. Гидронасосы забирают масло из масляного бака гидростатического привода и нагнетают его под высоким давлением в гидромоторы охлаждающего устройства, установленного в модуле, и в гидромотор винтового компрессора.
На главную раму тепловоза устанавливают несущий кузов 13 со съемными крышами 14.1-14.5. В съемную крышу 14.3 устанавливают блоки 15.1, 15.2 двухступенчатой очистки воздуха дизельного двигателя, в которые поступает воздух из атмосферы. Каждый блок содержит циклонные фильтры грубой очистки и фильтры тонкой очистки атмосферного воздуха. Воздух проходит через циклонные фильтры 16.1 и 16.2 (фирмы SGW Werder GmbH, Германия), в которых оседают частицы пыли размером свыше 20 микрон (1 ступень очистки), а затем - через фильтры 17.1 и 17.2 тонкой очистки (производства ЗАО «Уралтехфильтр-Инжиниринг»), которые очищают воздух с эффективностью 99.5% (2 ступень очистки), после чего поступает в турбокомпрессоры 18.1 и 18.2 дизельного двигателя. Блок 15.1 соединен с турбокомпрессором 18.1, а блок 15.2 - соответственно с турбокомпрессором 18.2. Эксплуатационная эффективность блоков двухступенчатой очистки воздуха очень высока не только за счет высокой степени очистки воздуха, но и благодаря существенному упрощению процесса обслуживания блоков, так как циклонные фильтры являются самоочищающимися, а фильтры тонкой очистки по мере загрязнения просто подлежат замене.
Заявленная полезная модель прошла испытания в качестве опытного образца, о чем составлен соответствующий акт. Магистральный тепловоз изготовлен в промышленных условиях и предназначен для использования в промышленных условиях, что позволяет считать заявленную полезную модель соответствующей критерию патентоспособности «промышленная применимость».