Как устроен и работает тепловоз (часть 1)
По железным дорогам нашей страны ведут поезда тепловозы и электровозы. Мы в повседневной жизни видим их постоянно, особенно когда путешествуем по железной дороге. Эта статья о тепловозах, для всех кому интересна эта тема. Здесь я не буду углубляться в тонкости определенных узлов, агрегатов и премудростей устройства. Кого интересует конкретное устройство тепловозов, читайте мои статьи на данном сайте.
Что такое тепловоз?
Тепловоз — это локомотив с установленным на нем двигателем внутреннего сгорания (дизелем), он мобилен и не требует для работы посторонних устройств и сооружений, например контактной сети, как электровоз. Силовой установкой на всех тепловозах являются именно дизели, мощность которых зависит от назначения локомотива.
По роду службы их подразделяют на грузовые, пассажирские и маневровые. Но для движения одного дизеля естественно мало, для передачи его мощности к колесным парам используются следующие принципиальные схемы – электрическая и гидравлическая. В электрической передаче используется генератор электрического тока, вращаемый дизелем, а вырабатываемый ток питает тяговые электродвигатели, в гидравлической передаче рабочим телом, которое передает вращение к колесным парам, является жидкость (масло). В гидромуфтах и гидротрансформаторах создаваемый насосным колесом, вращаемым дизелем, напор масла воздействует на турбинное колесо, через которое передается вращающий момент посредством карданных валов на редукторы, в которых установлены колесные пары тепловоза, но все это конечно очень упрощенно, в общих чертах. Мы немного коснемся работы гидропередачи позже, а подробное описание техническим языком можно прочитать в моей статье здесь.
Устройство тепловоза
Все тепловозы имеют раму, на которой установлен дизель, независимо от типа передачи, на раме устанавливается кузов тепловоза и все необходимые агрегаты. Кузов тепловоза опирается через шкворни на рамы тележек, которые могут совершать повороты в любую сторону, согласно профиля пути. Тележки еще имеют скользящие опоры с обоих сторон, которые также опираются на раму тепловоза.
В рамах тележек установлены или тяговые электродвигатели при электрической передаче или тяговые редукторы при гидравлической передаче, торцы осей колесных пар располагаются в буксовых узлах, корпуса которых в свою очередь располагаются либо в жестких направляющих, так называемых «челюстях» (тележки челюстного типа), либо специальными поводками соединяются с рамой (бесчелюстной тип).
Таким образом через рамы тележек тяговые усилия передаются на раму тепловоза в которой установлены автосцепные устройства, соединенные с автосцепками вагонов и все, поехали. В принципе такое-же устройство имеют и тележки электровозов.
Электрическая передача
Такой тип передачи нашел наиболее широкое распространение. Дизель тепловоза, при такой передаче, с помощью пластинчатой муфты присоединяется к валу электрогенератора — эта система называется дизель-генераторной установкой (ДГУ). Электрические передачи могут работать как на постоянном, так и на переменном токе, и даже на переменно-постоянном токе.
При постоянном токе как тяговый генератор, так и тяговые электродвигатели работают соответственно на постоянном токе. Такая передача наиболее проста, хорошо регулируются параметры тяговых электродвигателей, однако как двигатели, так и генератор постоянного тока в составе имеют щеточно-коллекторный аппарат, содержащий трущиеся друг об друга элементы, что значительно снижает их надежность, увеличивает трудоемкость при изготовлении и обслуживании, у таких электрический машин большие габариты и вес. Но тем не менее большинство тепловозов работают на электрической передаче.
Передача переменно-постоянного тока
На тепловозах с данным типом передачи тяговый генератор вырабатывает переменный ток, а тяговые электродвигатели работают уже на постоянном токе. Понятное дело, что переменный ток не подойдет для питания ТЭД постоянного тока, и между двигателем и генератором должен быть некоторый преобразователь — в нашем случае это выпрямительная установка (ВУ). Габариты генератора меньше, а вес ниже, а также в нем отсутствуют трущиеся части, такие как щелочно-коллекторный аппарат. Соответственно один узел является более надежным и менее трудоемким в производстве и обслуживании. Однако ввод третьего узла — ВУ немного уменьшает положительные качества такой системы, да и КПД у тепловозов с такой передачей меньше, чем у постоянников.
Передача переменного тока
В настоящее время приобретает все большее развитие. В этой передаче как тяговый генератор так и тяговые электродвигатели работают на переменном токе. Соответственно щелочно-коллекторный аппарат отсутствует вообще, такие электроустановки очень надежны. Почему же ранее не использовалась такая выгодная схема? — Все дело в том, что частота вращения и крутящий момент ТЭД переменного тока регулируются изменением частоты тока и напряжения, что является достаточно сложной задачей. Решается эта задача с помощью преобразователя частоты, который включается между двигателями и генератором. На железные дороги нашей страны уже выходят тепловозы именно с такой передачей, она особенно эффективна на локомотивах большой мощности.
Принцип работы генератора
Идем дальше. Вот наш условный дизель начинает вращать главный генератор (ГГ), пусть он будет постоянного тока, чтобы выработанный им ток пошел на питание тяговых двигателей. Прогуляемся немного в славный мир электротехники, откуда нам уже давно известно, что при перемещении какого-нибудь проводника в магнитном поле в этом проводнике возникает электрический ток. Это и есть генератор. Если по этому проводнику мы возьмем и пропустим ток, то уже получится электродвигатель. Потому-что вокруг любого проводника с током образуется магнитное поле. Здесь мы немного остановимся. Принципы понятны. Магнитное поле в генераторе создает ток протекающий в обмотке возбуждения, которая расположена по кругу корпуса генератора (статор), это понятно, ведь постоянный магнит не установишь на всех двигателях и генераторах, так и ресурсов не напасешься и постоянных магнитов такой мощности просто не существует, поэтому и подают ток на обмотки возбуждения, превращая их в мощные магниты.
ЭДС и противоЭДС
Теперь главное – в электродвигателях ток протекает и по обмотке в якоре, поэтому магнитные поля обмоток возбуждения и якоря друг с другом взаимодействуют, что и приводит к вращению якоря. В генераторах по якорю, который вращается от коленчатого вала дизеля, ток не пропускается, но в его обмотках под воздействием магнитных полей возбуждения возникает электрический ток, который и питает тяговые электродвигатели. И чем быстрее вращается якорь, тем большее напряжение мы получаем на выходе. Но есть одна серьезная и очень серьезная сила – электродвижущая сила (ЭДС), которая возникает при подключенной нагрузке (подключение цепей ТЭД) при вращении якоря, и физически направлена она против направления вращения якоря, в электротехнике она называется «противоЭДС». То есть эта сила можно сказать всячески сопротивляется вращению, она увеличивается с увеличением электрической нагрузки. Вот это и есть главное, что преодолевает всей своей мощью дизель, поэтому тепловозные дизели все не слабые, иначе не провернешь вал генератора под нагрузкой. Именно противоЭДС используется в тяговых электродвигателях тепловозов и электровозов, когда они переводятся в генераторный режим (по обмоткам якорей не протекает ток), это называется — реостатное (рекуперативное) торможение, когда скорость поезда снижается благодаря только электродвигателям, без применения автоматических тормозов и надо сказать, здорово тормозит и держит необходимую скорость, особенно на затяжных спусках, я всегда использовал этот вид торможения, когда можно было выбирать.
Управление дизелем
Все управление дизелем, аппаратами, машинами и агрегатами происходит с пульта управления из кабины машинистом. Управление осуществляется электрическим путем, с помощью применения электромагнитных контакторов и электрических реле в цепях управления, а в силовых цепях работают электропневматические контакторы. Контроллер машиниста имеет 15 (на некоторых тепловозах 8) позиций и представляет из себя электрический аппарат с контактами, замыкание и размыкание которых приводит к различным действиям в цепях управления, благодаря чему происходит коммутация (сборка-разборка) различных комбинаций электрических цепей, каждая из которых отвечает за определенный режим работы силовых агрегатов локомотива. Контроллер может поворачиваться рукояткой или штурвалом, в современных тепловозах небольшой рукояткой или джойстиком, все зависит от конструкции, все позиции контроллеры фиксированные. На тепловозах не существует педали газа, как на автомобилях, а обороты дизеля регулируются специальным устройством – регулятором числа оборотов (РЧО), также регулятор частоты вращения (РЧВ), но смысл один и тот же. Это устройство закрепляется на корпусе дизеля и соединяется с коленчатым валом дизеля. Управляется РЧО контроллером машиниста посредством специальных электромагнитов (МР), их всего пять, через металлическую пластину.
Регулятор частоты вращения коленчатого вала
В данном регуляторе с помощью специальных гидравлических устройств (золотника, гидравлического сервомотора, специальной буксы) происходит перемещение реек топливных насосов высокого давления (ТНВД ) к плунжерным парам, само перемещение осуществляет сервомотор, в результате чего подача топлива либо увеличивается, либо уменьшается.
Постоянство оборотов поддерживается системой, использующей принцип центробежной силы – парой грузиков и пружиной, перемещающих золотник. Все современные тепловозы оборудованы регуляторами совмещающими несколько устройств, и автоматического регулирования нагрузки дизеля, и автоматической корректировки подачи топлива по давлению наддувочного воздуха и устройств по ограничению мощности дизель-генератора.
А зачем мощность дизель-генератора ограничивать?
Выше я писал про зловредную противоЭДС, возникающую в главном генераторе, которую силовая установка мужественно преодолевает, вот и главное: мощность дизеля всегда должна соответствовать нагрузке, создаваемой потребителем энергии, и в нашем случае нагрузкой для является главный генератор, а для него уже электродвигатели колесных пар (вот собственно и схема электрической передачи). Как раз регулировка мощности осуществляется уменьшением или увеличением подачи топлива в цилиндры в соответствии с изменением нагрузки генератора.
Почему бы не оставить подачу топлива постоянной?
Если это произойдет, то при изменении нагрузки на ТЭД (например поезд едет в гору или с горы) частота вращения вала дизеля тоже изменится, что может привести к неприятным последствиям. Когда в дизель стабильно подается один объем топлива, то и энергия его сгорания остается постоянной, а вместе с ней и производимая мощность, однако если нагрузка на генератор вдруг уменьшится (поезд поехал с горы), то есть уменьшится противоЭДС, но топливо-то все еще поступает в прежнем объеме.. И вот мы получаем «излишнюю» мощность, которая направляется в раскрутку коленчатого вала, который теперь не отягощен противоЭДС, и в конце концов дизель может «пойти вразнос» — крайне неприятная вещь (разбегайся кто куда). При увеличении нагрузки и постоянной подаче топлива мощности дизеля просто станет не достаточно, для продолжения стабильной работы, частота вращения вала будет уменьшаться, в конечном счете дизель будет не в силах преодолевать нагрузку главного генератора и заглохнет, на профессиональном языке – генератор «задавит» дизель. Чтобы не произошло всех этих неприятностей, необходимо изменять подачу топлива и устанавливать ее каждый раз в соответствии с изменившейся нагрузкой, и все это без изменения позиций контроллера.
Вот эту непростую задачу в пути следования и решают наши автоматические регуляторы частоты вращения вала дизеля, совместно с очень непростой системой автоматического управления электрической передачей тепловоза. Она регулирует посредством многих систем, аппаратов, агрегатов нагрузку главного генератора и в конце концов подачу топлива. Эту систему я описал отдельно, но в нее входят: магнитный усилитель с самовозбуждением – амплистат, имеющий кучу обмоток, синхронный подвозбудитель, трансформаторы постоянного тока (ТПТ) и постоянного напряжения (ТПН), тахогенератор, регулятор напряжения, селективный узел и т.д. В общем всего навалом, но не так страшно, если разобраться, вся работа системы основана на принципах электромагнитной индукции. В итоге на регуляторе размещен эектромагнитный датчик – индуктивный датчик (ИД), шток которого также соединен с рейками топливного насоса и он также изменяет подачу топлива в зависимости от сложившихся условий.