Конструкция колесной пары тепловоза. Определение сил, действующих на ось колесной пары локомотива при движении в кривой.

Колесные пары находятся в непосредственном взаимодействии с рельсовым путем и жестко воспринимают удары от него из-за неровностей в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Особенно велико это воздействие при высоких скоростях движения, при проходе рельсовых стыков и кривых.

Конструкция колесных пар тепловозов в основном определяется способом передачи вращающего момента от тяговых электродвигателей к оси колесной пары. При опорно-осевом подвешивании тяговых электродвигателей (тепловозы ТЭЗ, 2ТЭЮЛ, 2ТЭ10М(В), 2ТЭ116, ТЭМ2 и др.) детали колесных пар в основном унифицированы. Унифицированная колесная пара состоит из оси и двух колесных центров (литых или штампованных) с надетыми на них бандажами. Бандажи удерживаются на центрах за счет сил трения между соприкасающимися поверхностями; для дополнительного крепления в пазы бандажей заведены бандажные кольца из специального стального проката. Для передачи вращающего момента от тягового двигателя к колесной паре на ось насажено зубчатое колесо.

Производственное объединение Ворошиловград тепловоз серийно изготавливает колесные пары для тепловозов 2ТЭ10М(В) и 2ТЭ116, моторно-осевые подшипники которых оборудованы устройством для принудительной подачи масла. В отличие от унифицированной ось такой колесной пары (рис. 197) в средней части имеет невысокий бурт, на котором укреплен разъемный зубчатый венец, привода шестеренного масляного насоса.

Рис. 197. Колесная пара с приводом для принудительной смазки моторно осевых подшипников:

( 1— фитильная набивка или польстер; 2 — верхняя смазочная камера; 3 — нижняя масляная камера; 4 — бандаж; 5 — колесный центр; 6, 12, 16 - лабиринтные кольца; 7 • шестеренный масляный насос; 8 — зубчатый венец; 9 - ось; 10 — вкладыши моторно-осевого подшипника; 11 — тяговый электродвигатель; 13 — зубчатый венец; 14 — эластичный элемент; 15 — боковой фланец; 17 — ролик; 18 - ступица; 19 — упорный элемент).

Устройство колесной пары тепловоза ТЭП70 последних выпусков представлено на рис. 198. На ось / насажены колесные центры 2, из которых один (левый) имеет выгнутый наружу диск для размещения муфты привода, а второй (правый) — прямой с четырьмя пальцами 16, запрессованными в приливы центра. Оси колесных пар изготовлены из осевых заготовок, получаемых из слитков мартеновской стали марки Ос.Л. При механической обработке для снижения концентрации напряжений переход от одного сечения к другому выполнен плавным, по возможности большим радиусом и с наименьшей шероховатостью поверхности. Цилиндрические поверхности оси и их галтели упрочняют накаткой стальными закаленными роликами с усилием.

Рис. 198. Колесная пара тепловоза ТЭП70 с приводом:

1 — ось; 2 — колесный центр; 3, 16 — пальцы; 4. 13 —приводные фланцы; 5 — тяговый электродвигатель, 6 — труба; 7 — опора; 8 — опорный подшипник; 9 — зубчатый венец; 10 — приводной фланец зубчатого колеса, // - бандаж; 12 резинометаллический шарнир: 14 - букса; 15 — бандажное кольцо

На ролик 30—40 кН. После накатки шейки осей шлифуют для посадки внутренних колец роликовых подшипников.

При опорно-рамном подвешивании двигателей ось в средней части менее нагружена, чем при опорно-осевом, поэтому ее диаметр в этой части несколько уменьшен и для облегчения она выполнена со сквозными отверстиями. Внутреннее отверстие не вызывает заметного ослабления оси, так как оно расположено по нейтральным волокнам металла, зато масса оси значительно снижается. В торцах осей с обеих сторон расточены отверстия диаметром 80 мм для запрессовки в них втулок с квадратным отверстием для хвостовика привода скоростемера. Наличие таких втулок во всех осях делает их взаимозаменяемыми.

Многолетняя практика эксплуатации колесных пар показывает, что, как правило, нарастание износа гребней бандажей опережает их прокат, вследствие чего обточку бандажей вынуждены производить из-за недопустимого износа (подреза) гребней, когда еще прокат незначителен (3—4 мм). При этом для восстановления гребня до нормальной толщины 33 мм приходится снимать много металла с поверхности катания бандажа, уменьшая его толщину. В связи с этим особую актуальность приобретают мероприятия по снижению износа гребней колесных пар. Наряду с улучшением динамических качеств экипажей, обеспечивающих прохождение колесных пар.

Рис. 199. Профили бандажей

Определение сил, действующих на ось колесной пары локомотива при движении в кривой - При движении тепловоза в кривой радиусом R со скоростью v на него дополнительно действует центробежная сила C = PKv2/(gR), приложенная в центре тяжести на высоте hc (здесь Рк—вес тепловоза; g~ = 9,81 м/с2 — ускорение силы тяжести). Величина силы С может достигать 30 % веса локомотива. Эта сила приводит к поперечному перекосу кузова, увеличению нагрузок на наружные буксы колесных пар и уменьшению нагрузок на внутренние. Такое же неблагоприятное действие может оказывать сила давления бокового ветра. Поэтому центробежная сила и сила ветра учитываются при расчете узлов экипажной части на прочность. Частично опрокидывающее действие центробежной силы компенсируется возвышением наружного рельса в кривых участках пути. Максимальное возвышение составляет 150 мм, следовательно, им можно уравновесить по величине не более 10 % веса тепловоза, или примерно одну треть центробежной силы. Две трети ее остаются неуравновешенными. Возможности прохождения локомотивами кривых участков пути проверяются так называемым вписыванием локомотивов в кривые.

Для кривых малого радиуса, которые имеют место на путях локомотивных депо и в которых локомотивы следуют, как правило, с малой скоростью и без состава, важно проверить саму возможность вписывания локомотива в кривую заданного радиуса. Это так называемое статическое вписывание, которое осуществляется геометрически. Геометрическое вписывание в кривые не может быть выполнено простым графическим построением. Дело в том, что величина зазоров между гребнями колес и рельсами, как было показано выше, мала сама по себе и очень мала по сравнению с линейными размерами локомотива, а тем более с радиусом кривой. Если попытаться изобразить последние даже в масштабе 1:100 (радиус на чертеже будет иметь величину 1—3 м, длина локомотива — примерно 200 мм), то зазоры между колесами и рельсами на чертеже просто исчезнут — их величина будет меньше толщины линий. Поэтому необходимо применять специальные построения, при которых используются различные масштабы для разных размеров.

Наиболее часто для геометрического вписывания применяется метод параболической диаграммы.

На диаграмме в зазорах между рельсами изображается положение тележек экипажа. Надо иметь в виду, что при движении с малыми скоростями тележки находятся в так называемом положении наибольшего перекоса, при котором гребень набегающего колеса упирается во внутреннюю грань наружного рельса, а последняя колесная пара тележки гребнем упирается во внутренний рельс. Упор гребня колеса в рельс, т. е. отсутствие зазора между гребнем и рельсом, на чертеже будет выглядеть совмещением точки колесной пары с параболой соответствующего рельса.

Рис. 11.40. Геометрическое вписывание тепловоза в кривую методом параболической диаграммы

На оси тележек также проектируются положения их шкворней А\ и Л2, что дает возможность построить положение оси тепловоза и определить ее отклонения от оси пути в средней части уе и по концам у„ (в масштабе ту), а также углы поворота тележек. (При определении последних надо не забыть, что на диаграмме они искажены из-за разных масштабов по осям координат.)

Рис. 11.41. Схема сил, действующих на тележку при движении в кривой

Силы, действующие на ходовые части тепловоза при движении в кривых. Рассмотрим часто встречающееся при движении в кривых размещение трехосной тепловозной тележки в положении так называемой «свободной установки»: набегающая колесная пара гребнем упирается в наружный рельс, а последняя колесная пара имеет зазоры со стороны обоих рельсов. Такое положение тележки является промежуточным при ее вилянии от положения наибольшего перекоса к динамической установке, когда обе крайние колесные пары прижаты к наружному рельсу. При вилянии в кривой тележка совершает сложное движение.

На тележку действует часть центробежной силы инерции, не уравновешенная возвышением наружного рельса /г,

зависящая от скорости движения, и направляющее усилие со стороны наружного рельса У\ (здесь т — число осей в тележке). При наличии возвращающих устройств в опорах тележки должны учитываться и возвращающие силы (или их момент Мв).

Составим уравнения равновесия тележки:

(сумма всех поперечных сил равна нулю) и

(сумма моментов относительно центра поворота равна нулю).

Из двух уравнений можно найти две неизвестные величины: У[ и Ст. Зная величину Ст, можно определить величину скорости движения и, соответствующей данной установке тележки:

Боковое давление на рельс составит У\ = У\—У\.

Безопасность движения тепловоза в кривых участках пути считается обеспеченной, если исключается возможность всползания гребня набегающего колеса, что могло бы привести к сходу колесной пары с рельсов. Установлено, что это усло-ние гарантируется (с запасом), если отношение бокового давления колеса на рельс У\ к вертикальной нагрузке П не превышает 0,8 (УЧ//7<0,8). На основе этого соотношения в процессе динамического вписывания могут быть определены максимальные допустимые скорости движения в заданных кривых.

6. Конструкция воздушно-водяной секции тепловоза, определение коэффициента теплопередачи. Влияние технического состояния секции на величину коэффициента теплопередачи.

Ответ- Коэффициенты теплоотдачи воды и воздуха далеко не равны: <хв = 4 000 -т- 6 000 ккал/м2 ч° С и аЕ03 = 50 -г- 150 ккал/м2-ч-° С. Поэтому для повышения интенсивности теплообмена со стороны воздуха трубки водяной секции располагаются в шахматном порядке и имеют развитое оребрение (коэффициент оребрения 6,9).

Резкое увеличение за счет ребер наружной поверхности трубок позволяет примерно во столько же раз увеличить теплоотдачу к воздуху, а значит, и общий отвод тепла от воды.

Если коэффициент теплопередачи водяных секций непрерывно возрастает с увеличением скорости охлаждающего воздуха и достигает величин свыше 70 ккал/м2-ч-°С, то коэффициент теплопередачи масляных секций составляет лишь около 20 ккал!м2-ч-°С.

******

Так как значение температурного напора ограничено (температура воды в системах охлаждения, как правило, не превышает 90—95 °С, а масла — 80—85 °С), охлаждающие устройства тепловозных дизелей должны обладать значительными поверхностями охлаждения. Развитие площади теплоотдающих поверхностей достигается за счет их оребрения и дробления потока на большое число отдельных струй, протекающих в трубках малого сечения. Коэффициент теплопередачи воздушных радиаторов возрастает при увеличении скорости воздуха, которое достигается его просасыванием через радиаторы под действием специального вентилятора. Назначение и типы охлаждающих устройств. Охлаждающие устройства тепловозных дизелей представляют собой совокупность узлов и агрегатов тепловоза, предназначенных для отвода и рассеивания в окружающую среду тепла от охлаждающих жидкостей (воды и масла), а также для охлаждения рабочего воздуха. К охлаждающим устройствам тепловозных дизелей относятся: теплообменники (водовоздушные, масловоздушные, водомасляные и воздуховодяные), вентиляторы охлаждения и их привод. Теплообменники служат для отвода тепла от жидкостей или от воздуха. Теплообменники, отводящие тепло от жидкостей к атмосферному воздуху, называют радиаторами.

Охлаждение масла промежуточным теплоносителем (водой) позволяет уменьшить общие размеры радиатора на тепловозе и сделать более устойчивой температуру масла, что очень важно при переменных режимах работы дизеля. Размещение основных частей охлаждающих устройств. Охлаждающие устройства тепловозных дизелей (радиаторы, вентилятор и его привод) занимают обычно часть кузова тепловоза, называемую шахтой холодильника (рис. 6.22, а), в боковых стенках которой размещаются воздухоприемники — поворотные жалюзи/и секции радиаторов — водяные 2 и масляные 3 (на тепловозах 2ТЭ10Л первых выпусков. На тепловозах 2ТЭ10В и 2ТЭ10Л с водомасляным охлаждением секции 3 также водяные). Охлаждающие жидкости собираются в коллекторах 9. В центре камеры размещается осевой вентилятор 4. Внутренняя часть камеры ограничена наклонными стенками 8, которые, смыкаясь с горизонтальным листом 7, образуют арку («шахту»), которая служит для прохода к торцовым дверям секции.

Рис. 6.22. Схемы размещения радиаторов на тепловозах:

а — 2ТЭ10В(М); б— ТЭП60; в — 2ТЭ116; г — ТГ16; д — ТЭ109 (стрелками показано течение охлаждающего воздуха).

Водомасляные теплообменники обычно размещаются непосредственно на дизеле (дизель Д49) либо вблизи него в машинном помещении тепловоза (2ТЭ10В, ТЭП60), Воздухоохладители размещаются непосредственно на дизелях.

Секции радиатора. Общая величина необходимой поверхности охлаждения радиатора на тепловозах довольно велика. При размещении радиатора, например, по схеме (см. рис. 6.22, а) на тепловозе 2ТЭ10В длина радиатора по фронту составляет примерно 3 м, а масса собственно радиатора (без коллекторов) превышает 2600 кг. Такую конструкцию сложно и нецелесообразно изготавливать целиком, так как это создаст большие трудности при эксплуатации. Поэтому радиаторы на тепловозах выполняют составными из отдельных элементов — секций. Это позволяет применять на различных тепловозах стандартные секции.

Водовоздушная секция радиатора (рис. 6.23, а) представляет собой много трубный теплообменник. Она состоит из двух пакетов тонкостенных плоскоовальных трубок (рис. 6.23, б) из латуни Л96 (томпака); каждый пакет трубок имеет общие ребра из пластин медной фольги толщиной 0,1 мм (коллективное оребрение). Пластины оребрения («ребра») нанизаны на трубки при сборке секции со средним расстоянием между ними (шагом оребрения) 2,3 мм. Ранее выпускались секции с большим шагом оребрения — 2,83 мм и соответственно с меньшим числом ребер и меньшей поверхностью охлаждения со стороны воздуха.

Ребра припаиваются к трубкам методом спекания (предварительно залуженные с наружной поверхности трубки спекаются с ребрами в печи при расплавлении слоя полуды). Ранее применялась припайка методом окунания всего собранного пакета в расплавленный припой. Проконтролировать качество припайки ребер ко всем трубкам в любом случае невозможно. Способ окунания требовал большего расхода припоя. Кроме того, остатки припоя, не успевшие стечь до затвердевания, стесняют живое сечение для прохода воздуха.

На тепловозах применяются секции данного типа с различной рабочей длиной трубок /р: нормальные (1206 мм) и укороченные (535 мм).

Соответственно расстояние между осями крепежных отверстий для них составляет 1356 и 686 мм. Изменение длины секций обычно связано с особенностями компоновки охлаждающего устройства. На тепловозах 2ТЭ116, ТЭП60. ТЭЗ, ТЭМ2 и др. применены нормальные секции с длиной трубок 1206 мм. На тепловозах ТГ16 весь радиатор собран из укороченных секций, размещенных под потолком кузова над дизелем. На тепловозах 2ТЭ10В применено двухъярусное размещение секций: нормальных внизу и укороченных над ними.

На ряде тепловозов применяются масловоздушные радиаторы для охлаждения масла дизеля (ТЭЗ, ТЭМ2). Масловоздушные секции имеют такие же габаритные размеры, как и водовоздушные, но отличаются размерами, числом и расположением трубок. Они имеют по 80 плоскоовальных трубок сечением 17,5X4 мм, размещенных в восемь рядов по 10 трубок («коридорно»). Большее сечение трубок необходимо из-за вязкости масла.

Коэффициент теплопередачи стандартных масловоздушных секций в среднем 22-24 Вт/(м2-К) -примерно в 3 раза меньше, чем водо-воздушных секций. Поэтому для охлаждения масла обычно требуется больше секций, чем для охлаждения воды. Именно поэтому в охлаждающем устройстве тепловоза ТЭЗ из 60 секций 36 масловоздушные, хотя в масло от дизеля отводится тепла почти вдвое меньше, чем в воду.

Плохая теплопередача от масла к трубке объясняется его ламинарным течением. Вязкое масло течет параллельными слоями, не перемешиваясь. Поэтому тепло отдают только внешние слои потока, непосредственно соприкасающиеся со стенками. Тепло от внутренних слоев может передаваться лишь теплопроводностью, а она у масла невелика.

7) Назначение, конструкция и методика теплового расчета водяной системы охлаждения тепловоза 2ТЭ116.

Ответ- необходимое количество секций радиаторов для охлаждения воды определяется на основе решения системы уравнения, описывающих процесс теплообмена:

- - количество тепла, отводимого в холодильник с водой дизеля;

- - это же количество тепла, воспринимаемое воздухом, проходящим через секции.

Таким образом, и получаем уравнение теплового баланса;

- уравнение теплопередачи, характеризующее процесс передачи тепла от воды к воздуху в водо-воздушных секциях радиаторов.

В этих уравнениях: - расход воды, проходящей через секции радиаторов, кг/с; - средняя удельная теплоемкость охлаждающей воды и воздуха, Дж/кг·К; и - температура воды и воздуха на входе в секции радиаторов; и - температура воды и воздуха на выходе из секций радиаторов; - коэффициент теплопередачи от воды к воздуху. Определяется от весовой скорости воздуха и скорости воды в трубках секций радиаторов холодильника на основе экспериментально полученных зависимостей; - площадь поверхности нагрева с воздушной стороны секций радиаторов; - среднеарифметический температурный напор в холодильнике.

По справочным данным, на основании принятых величин температур, определяем физические параметры теплоносителей:

– для воздуха при температуре С, коэффициент динамической вязкости Па·с, коэффициент теплопроводности , Вт/м·К, удельная теплоемкость Дж/кг·К;

– для воды при температуре С, плотность кг/м3, коэффициент динамической вязкости Па·с, удельная теплоемкость Дж/кг·К, коэффициент теплопроводности, Вт/м·К, коэффициент кинематической вязкости м2/с. Для монтажа холодильника принимаются стандартные секции с длиной активной части 1206 мм. Параметры охлаждающих секций радиаторов (Табл. 3.1.).

3.2.1. Определяем ориентировочное число секций первого контура охлаждения, задавшись величиной Vвд.

где - массовая скорость воды в трубках секции. Принимается в пределах 900…1500 кг/м2·с. В нашем случае принимаем кг/м2·с.

Массовая скорость воздуха между пластинами оребрения секции находится в пределах 8…14 кг/м2·с. Принимаем в дальнейших расчетах кг/м2·с.

Компромиссным решением, используемым на большинстве типов тепловозов, является открытая двухконтурная система охлаждения. В двухконтурной системе контур охлаждения элементов дизеля и контур охлаждения наддувочного воздуха и масла разделены. В качестве основного теплоносителя используется вода, циркулирующая в замкнутых системах охлаждения (контурах) с поверхностными теплообменниками. Каждый контур системы оборудован индивидуальным насосом. Это дает возможность раздельного регулирования температуры охлаждающей воды в обоих контурах. На проектируемом тепловозе целесообразно применить данную схему водяного охлаждения.