ТЯГОВЫЙ ПРИВОД ЛОКОМОТИВА

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, а именно к устройствам для передачи крутящего момента от тягового двигателя к колесной паре.
Известен тяговый привод локомотива, содержащий тяговый электродвигатель, опирающийся на раму тележки в трех точках, зубчатую передачу с малым зубчатым колесом, размещенным на валу тягового электродвигателя и большим зубчатым колесом, опирающимся через подшипники на корпус тягового электродвигателя, и полый вал, связанный через компенсирующие муфты одним концом с большим зубчатым колесом, а другим - с колесной парой, (см. Бирюков И.В., Савоськин А.Н., Бурчак Г.П. и др. Механическая часть подвижного состава. - М.: Транспорт, 1992, С. 346-347, рис. 13.45).
Недостатком известного тягового привода, применяемого на тепловозах серий ТЭП70 и 2ТЭ70 и электровозах ЭП2к отечественных железных дорог, является то, что консольное расположение малого колеса увеличивает нагрузки на подшипники ротора тягового электродвигателя. При использовании асинхронных тяговых электродвигателей, имеющих повышенную частоту вращения ротора, срок службы роторного подшипника со стороны расположения малого зубчатого колеса оказывается недостаточным.
Известен тяговый привод, содержащий тяговый электродвигатель, редуктор, малое зубчатое колесо которого расположено симметрично на двух подшипниковых опорах, соединяющую их компенсационную муфту, при этом тяговый электродвигатель и редуктор соединены друг с другом разъемный неподвижным соединением и опираются на раму в трех точках, и полый вал, связанный через компенсирующие муфты одним концом с большим зубчатым колесом, а другим - с колесной парой, (см. Смирнов В.А. Тележка двухосная моторная, Руководство по эксплуатации, ДМЗ, 2001 г., стр. 1-3.).
Недостаток данного тягового привода, примененного в отечественном электропоезде ЭД6, состоит в том, что муфта ограничивает габариты тягового электродвигателя, что препятствует применению данного тягового привода для локомотивов, имеющих более высокую мощность тягового электродвигателя.
Известен тяговый привод локомотива, содержащий тяговый электродвигатель, подвешенный на раме тележки, осевой редуктор, торсионный вал, проходящий через полый вал ротора тягового электродвигателя и связанный с валом осевого редуктора и валом тягового электродвигателя компенсационными муфтами (см. Конструкция, расчет и проектирование локомотивов: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности «Локомотивостроение». А.А. Камаев, Н.Г. Апанович, В.А. Камаев и др.; Под ред. А.А. Камаева. - М.: Машиностроение, 1981, С. 133-134, рис. 91).
Недостатком данного тягового привода, примененном на тепловозе 2ТЭ121, электровозах ЭП1 и ЭП10 отечественных железных дорог и ДС3 железных дорог Украины, является ограничение возможности снизить массу тягового электродвигателя путем повышения частоты вращения ротора, вследствие необходимости повышать внутренний диаметр подшипников ротора для размещения внутри вала электродвигателя торсионного вала. Так, наружный диаметр вала асинхронного тягового электродвигателя СТА-1200 мощностью 1200 кВт с приводом с опорно-рамным тяговым электродвигателем и осевым редуктором составляет 188 мм, что почти на 40 мм больше диаметра вала тяговых электродвигателей электровозов с опорно-осевым подвешиванием, а масса составляет 2400 кг, что на 20% выше массы асинхронных тяговых электродвигателей той же мощности для привода с опорно-осевым подвешиванием тяговых асинхронных электродвигателей (около 2000 кг). Кроме того, осевой редуктор увеличивает неподрессоренную массу, что ограничивает применение данного привода для пассажирских локомотивов.
Известен тяговый привод локомотива, содержащий тяговый электродвигатель, опирающийся на раму тележки, редуктор с малым и большим зубчатым колесами и полый вал, связанный через компенсирующие муфты одним концом с большим зубчатым колесом, а другим - с колесной парой, при этом малое зубчатое колесо размещено на валу тягового электродвигателя между роторными подшипниками, а корпус редуктора соединен неподвижным разъемным соединением с корпусом тягового электродвигателя (см. Josef  Design of a Wheelset Drive, Transactions on Electrical Engineering, Vol. 4 (2015), No. 1, C. 16-17, рис. 19).
Недостаток указанного привода, применяемого на локомотиве Skoda 109Е, в недостаточном сроке службы роторного подшипника, размещенного вблизи малого зубчатого колеса.
Известен тяговый привод локомотива, содержащий тяговый электродвигатель, редуктор с малым зубчатым колесом и большим зубчатым колесом и полый вал, связанный через компенсирующие муфты одним концом с большим зубчатым колесом, а другим - с колесной парой, при этом тяговый электродвигатель и редуктор связаны неподвижным разъемным соединением и опираются на раму тележки в трех точках, а вал тягового электродвигателя опирается на вал малого зубчатого колеса через дисковую муфту (см. Андрющенко А.А. Разработка экипажной части скоростного пассажирского электровоза с асинхронным тяговым приводом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ростов-на Дону, 2013, с. 11, рис. 4).
Недостатки указанного тягового привода, используемого на отечественном электровозе ЭП20, заключаются в сложности изготовления и ремонта. Места соединения тягового электродвигателя и редуктора требуют повышенной точности обработки, балансировка тягового электродвигателя не может быть осуществлена отдельно от редуктора. В результате увеличивается стоимость изготовления электровоза и расходов на его эксплуатацию.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран тяговый привод локомотива, содержащий тяговый электродвигатель, редуктор с малым зубчатым колесом и большим зубчатым колесом, полый вал, связанный через компенсирующие муфты одним концом с большим зубчатым колесом, а другим - с колесной парой, при этом тяговый электродвигатель и редуктор опираются на раму тележки, ротор и статор тягового электродвигателя выполнены в виде дисков, вал тягового электродвигателя выполнен полым, вал тягового электродвигателя соединен с валом малого зубчатого колеса с помощью торсионного вала, проходящего через полый вал тягового электродвигателя, и двух зубчатых муфт, редуктор опирается на раму тележки в двух точках и связан с корпусом тягового электродвигателя разъемным подвижным соединением (См. Тяговый привод локомотива. / Воробьев В.И., Измеров О.В., Космодамианский А.С., Капустин М.Ю., Стрекалов Н.Н., Самотканов А.В., Шевченко Д.Н., Корчагин В.О. Патент на полезную модель №200670, Российская Федерация, СПК В61С 9/48 (2020.08); В61С 9/50 (2020.08). Опубл. 05.11.2020, бюл. №31).
Недостатком прототипа является необходимость разработки новых технологий для изготовления дисковых асинхронных машин с осевым магнитным потоком, что затрудняет внедрение прототипа в серийное производство. Использование же электрических машин с радиальным магнитным потоком ведет к снижению силы тяги локомотива, т.к. для машины с радиальным магнитным потоком диаметр ротора меньше, чем у машины с осевым магнитным потоком с ротором в виде диска. Уменьшение диаметра ротора ведет к снижению крутящего момента тягового электродвигателя; увеличить же диаметр ротора путем общего увеличения диаметра тягового электродвигателя невозможно, поскольку этот диаметр ограничен размерами централи тяговой передачи. Увеличение централи тяговой передачи в условиях, когда диаметр большого колеса тяговой передачи ограничен габаритами подвижного состава, возможно только за счет увеличения диаметра малого зубчатого колеса, что ведет к уменьшению передаточного числа и снижению силы тяги локомотива.
Известен тяговый привод трамвая, содержащий двухполюсный коллекторный тяговый электродвигатель, обмотки возбуждения которого расположены между полюсами, а ось колесной пары - со стороны одного из полюсов (См. John L. Sprague/ Frank J. Sprague invents. / IEEE Power and Energy Magazine, Volume 14, Number 2, March/April 2016, c. 80-96, Figure 8).
Данный тяговый привод позволяет увеличить радиальные габариты тягового электродвигателя, поскольку ось колесной пары размещена со стороны тягового электродвигателя, имеющей наименьшие поперечные габариты. Недостатком указанного тягового привода является то, что двухполюсный коллекторный тяговый электродвигатель имеет низкие моментомассовые показатели, вследствие чего данный привод в настоящее время не применяется на рельсовом подвижном составе.
Известны дугостаторные и кольцевые приводы, в которых передача момента осуществляется бесконтактно электромагнитным полем. (См. Толкачев Э.А. Дугостаторные и линейные синхронные машины с магнитоэлектрическим возбуждением. Изд-во ЛГУ, 1975, С. 127.). Известно, что особенности конструкции, принципа действия и энергетики дугостаторных асинхронных электродвигателей обуславливают возможность их использования в системе тягового привода локомотивов (См. А.И. Ивахин. Варианты реализации и динамические свойства асинхронного тягового привода локомотивов с дугостаторными электродвигателями / «Тяжелое машиностроение», №10, М., НПО "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения", 2012, с. 21).
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в повышении силы тяги локомотива при возможности изготовить тяговый электродвигатель с использованием уже существующих технологий производства электрических машин..
Это достигается тем, что в тяговом приводе локомотива, содержащем тяговый электродвигатель, редуктор с малым зубчатым колесом и большим зубчатым колесом, полый вал, связанный через компенсирующие муфты одним концом с большим зубчатым колесом, а другим - с колесной парой, при этом тяговый электродвигатель и редуктор опираются на раму тележки, вал тягового электродвигателя выполнен полым, вал тягового электродвигателя соединен с валом малого зубчатого колеса с помощью торсионного вала, проходящего через полый вал тягового электродвигателя, и двух зубчатых муфт, редуктор опирается на раму тележки в двух точках и связан с корпусом тягового электродвигателя разъемным подвижным соединением, статор тягового электродвигателя выполнен в виде двух одинаковых дугообразных индукторов, длина каждого из которых по наружной стороне меньше длины полуокружности с радиусом, равным наружному радиусу индуктора, концы индукторов соединены друг с другом со стороны, противоположной оси колесной пары, корпус тягового электродвигателя имеет выемку в месте расположения концов индукторов, удаленных друг от друга, закрытую кожухом, а расстояние от наружной поверхности полого вала до центра вала тягового электродвигателя, меньше, чем величина наружного радиуса индуктора.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1. изображен общий вид тягового привода локомотива, а на фиг. 2 - поперечное сечение тягового электродвигателя и оси колесной пары.
Предлагаемый тяговый привод локомотива содержит тяговый электродвигатель 1, редуктор 2 с малым зубчатым колесом 3 и большим зубчатым колесом 4, полый вал 5, связанный через компенсирующие муфты 6 и 7 одним концом с большим зубчатым колесом 4, а другим - с колесной парой 8, при этом тяговый электродвигатель 1 и редуктор 2 опираются на раму тележки 9. Вал 10 тягового электродвигателя 1 выполнен полым, вал 10 тягового электродвигателя 1 соединен с валом 11 малого зубчатого колеса 3 с помощью торсионного вала 12, проходящего через полый вал 10 тягового электродвигателя 1, и двух зубчатых муфт 13 и 14, редуктор 2 опирается на раму тележки 9 в двух точках 15 и 16 и связан с корпусом тягового электродвигателя 1 разъемным подвижным соединением 17.
и
и
и
и
и
1
2
и
Статор 18 тягового электродвигателя 1 выполнен в виде двух одинаковых дугообразных индукторов 19. Как видно из Фиг. 2., длина каждого из индукторов по наружной стороне будет равна L=πRϕ/180, где R - радиус индуктора 19 по наружной стороне, а ϕ - угол между торцами индуктора в градусах. Как показано на Фиг. 2, ϕ<180°, таким образом, L меньше, чем длина полуокружности с радиусом, равным R, и два индуктора вместе образуют лишь часть окружности. Концы индукторов соединены друг с другом со стороны, противоположной оси колесной пары 8, по линии BB (см. Фиг. 2), а противоположные концы индукторов не смыкаются друг с другом. Корпус 20 тягового электродвигателя 1 имеет выемку в месте расположения концов индукторов 19, удаленных друг от друга, закрытую кожухом 21. Как видно из Фиг. 2, расстояние L от наружной поверхности полого вала 5 до центра вала 10 тягового электродвигателя меньше, чем величина R (радиус индуктора 19 по наружной стороне).
Предлагаемый тяговый привод локомотива работает следующим образом. Вращающий момент от вала 10 тягового электродвигателя 1 передается валу 11 малого зубчатого колеса 3 редуктора 2 через торсионный вал 12 и зубчатые муфты 13 и 14, при этом усилие реакции при реализации тягового усилия передается от редуктора 2 на тяговый электродвигатель 1 через разъемное подвижное соединение 17, что, в совокупности с опорой редуктора 2 на раму тележки 9 в двух точках 15 и 16 предотвращает смещение редуктора 2 относительно тягового электродвигателя 1 и поперечное смещение вала 11 малого зубчатого колеса 3 редуктора 2 относительно вала 12 тягового электродвигателя 1. Кожух 21 препятствует прониканию влаги и грязи внутрь тягового электродвигателя 1.
Благодаря выполнению статора 18 тягового электродвигателя 1 в виде двух дугообразных индукторов 19, не соединенных друг с другом со стороны колесной пары 8, и наличии в корпусе 20 тягового электродвигателя 1 выемки появляется возможность для увеличения крутящего момента тягового электродвигателя 1 и силы тяги локомотива увеличить диаметр ротора тягового электродвигателя 1, поскольку наружный радиус корпуса 20 тягового электродвигателя, в отличие от рассмотренных выше аналогов, можно сделать при той же самой величине централи тяговой передачи и передаточном отношении существенно больше, чем расстояние от полого вала 5 до оси вала 10 тягового электродвигателя при числе пар полюсов больше, чем 2, так как полый вал 5 располагается в выемке.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что выполнение статора тягового электродвигателя в виде двух дугообразных индукторов, соединенных друг с другом только с одной стороны, позволяет увеличить диаметр ротора тягового электродвигателя, не меняя размера централи тяговой передачи, что позволяет увеличить крутящий момент на валу тягового электродвигателя и силу тяги локомотива.