CC BY
129
О28цетехнические и социальные проблемы
7-0,01 2 7-0,01
-------< а <----------;
16,01 1,69
0,004 < о2 <0,041.
На систему смазывания тяговых зубчатых передач оформлена заявка № 2009119152 на получение патента на изобретение. Постоянное присутствие смазочного материала в зоне контакта тяговых зубчатых передач тепловозов позволяет по сделанным оценкам повысить износостойкость от 3 до 5 раз. В разработанном варианте обеспечивается устойчивое смазывание тяговых редукторов тепловозов без применения дорогого дополнительного оборудования или сложных специальных устройств, надёжность работы которых относительно невысока.
Заключение
Разработанная система смазывания тяговых редукторов тепловозов, обеспечивающая постоянное присутствие смазочного материала в зубчатых сопряжениях, за счёт резкого снижения износа деталей позволяет сократить простои из-за преждевременных замен или ремонтов колёс, повысить надёжность эксплуатации.
Библиографический список
1. Тяговые приводы локомотивов. Устройство, обслуживание, ремонт / В. Н. Калихович. - М. : Транспорт, 1983. - 111 с.
2. Вероятностные разделы математики : учебник для бакалавров технических направлений / ред. Ю. Д. Максимов. - СПб. : Иван Федоров, 2001. - 592 с. - ISBN 5-81940-050-X.
3. Теория вероятностей и математическая статистика. Базовый курс с примерами и задачами : учеб. пособие / А. И. Кибзун, Е. Р. Горяинова, А. В. Наумов, А. Н. Сиротин. - М. : Физматлин, 2002. - 224 с. - ISBN 5-9221-0231-1.
Статья поступила в редакцию 05.04.2010;
представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.
УДК 629.4.069 Е. В. Черток
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА ВЕНТИЛЯТОРОВ ХОЛОДИЛЬНИКА ТЕПЛОВОЗА ТЭП70
Одним из основных минусов гидростатического привода вентиляторов холодильника является недостаточная надежность его аксиально-поршневых насос-
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
129
моторов. Предложена новая схема гидростатического привода вентилятора холодильника с объемным регулированием и шаровыми насос-моторами нового типа.
гидростатический привод вентиляторов холодильника, объемное регулирование гидростатического привода вентиляторов холодильника, шаровой насос-мотор нового типа, основные характеристики шарового насос-мотора нового типа для гидростатического привода вентиляторов холодильника.
Введение
В настоящее время наибольшее распространение получили следующие типы приводов вентиляторов холодильных камер: гидромеханический (тепловозы М62, ТЭ10), электрический (тепловоз 2ТЭ116) и гидростатический (тепловоз ТЭП70).
Гидромеханический привод дает возможность плавно регулировать угловую скорость валов агрегатов. Для этого в обычный механический привод вводят дополнительный элемент - гидромуфту переменного наполнения. Несмотря на преимущества (при приводе компрессора осуществляется его периодическое отключение от энергетической установки; минимальная передача крутильных колебаний на
энергетическую установку; сохранение постоянной угловой скорости вала на рабочем режиме независимо от угловой скорости вала энергетической установки) гидромеханический привод обладает существенными
недостатками: значительным снижением КПД при изменении частоты вращения вала и сложностью конструкции.
Электрический привод вентилятора имеет простую принципиальную схему и может применяться на постоянном и переменном токе. Применение электрического привода облегчает размещение охлаждающих устройств и исключает необходимость установки громоздкой системы валов и редукторов. Система электропривода легче автоматизируется. Но существенным недостатком электрического привода является сложность его регулирования.
В отечественном локомотивостроении гидростатический привод вентиляторов холодильника с плавным регулированием его частоты вращения применяют в основном на тепловозах ТЭП70У, ТЭП70БС [1]. Гидростатический привод обеспечивает свободу компоновки вспомогательных агрегатов, так как элементы гидропривода связаны лишь трубопроводами и их можно устанавливать в удобных для обслуживания местах; имеет меньшую массу, чем приводы других типов. Привод позволяет плавно регулировать частоту вращения элементов вспомогательных механизмов и машин, обладает большой перегрузочной способностью по мощности и крутящему моменту.
К недостаткам гидростатического привода следует отнести наличие трубопроводов высокого давления (давление масла в нагнетательном трубопроводе между насосом и гидравлическим двигателем достигает
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
ОЗбщетехнические и социальные проблемы
16...20 МПа) и радиатора для охлаждения масла, циркулирующего в системе привода; необходимость применения более качественного масла; высокую стоимость и недостаточную надежность.
По данным ремонтного локомотивного депо Санкт-Петербург-Сортировочный-Витебский, за 2009 год произошло 227 случаев неплановых ремонтов тепловозов ТЭП70, из них 14 (6,2 %) - вследствие отказов гидростатики, причем 8 (3,5 %) случаев неплановых ремонтов связано с отказами насосов и гидромоторов МН 250/100 по причинам износа сальника гидронасосов, трещин, отколов блока цилиндров, рисок и забоин глубиной более 0,0005 м на торцевой поверхности распределителя гидронасосов.
Следовательно, в настоящее время актуальной является задача разработки насос-мотора нового поколения, способного обеспечить надежное и более экономичное функционирование гидростатического привода вентиляторов холодильника тепловоза ТЭП70. Наиболее оптимальным решением является шаровой насос-мотор принципиально новой конструкции, разработанный в Петербургском государственном университете путей сообщения.
1 Шаровой насос-мотор нового типа для гидростатического привода вентиляторов холодильника
Разработанный шаровой насос (рис. 1) - бесклапанный, регулируемый и обратимый (насос-мотор). Корпус основного узла насоса состоит из двух полусфер, ротор - из двух дисков: ведущего 1, расположенного на приводном валу 9, и ведомого 2, шарнирно соединенного с ведущим и имеющего регулирующее кольцо 8. Диски разделяют внутренний объем насоса на четыре рабочие камеры: 4, 5, 6 и 7, которые соединены с нагнетательными и всасывающими каналами-окнами 3.
8^4
Рис. 1. Основной узел шарового насос-мотора: 1 - диск ведущий; 2 - диск ведомый;
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
131
3 - окна; 4, 5, 6, 7 - камеры рабочие; 8 - кольцо регулирующее; 9 - вал
Конструкция шарового насоса не содержит ни клапанов, ни сложных соединений. Данный гидронасос достаточно прост в изготовлении и по конструкции, а значит - более надежный (методика определения надежности насоса нового типа на этапе проектирования приведена в работе [2]). Шаровой насос имеет повышенный ресурс функционирования, так как в своей конструкции он содержит минимальное число пар трения. В результате произведенных расчетов предполагаемый ресурс шарового насос-мотора будет в 2,0...2,5 раза выше, чем у типового аксиальнопоршневого насос-мотора МН 250/100.
Основной узел шарового насоса работает следующим образом. При вращении вала 9 по часовой стрелке после открытия диском 1 окон 3 объемы камер 4 и 6 уменьшаются и жидкость из них вытесняется, а объемы камер 5 и 7 увеличиваются и жидкость всасывается в эти камеры. Эти процессы закончатся при закрытии диском 1 окон 3 - через 180° оборота вала 9. При этом камера 4 займет положение камеры 5, а камера 5 - положение камеры 4. Также «поменяются» местами камеры 6 и 7. Далее цикл повторяется. На рис. 2 показана работа основного узла шарового насоса при вращении вала по часовой стрелке.
Рис. 2. Работа основного узла шарового насос-мотора
Бесступенчатое регулирование производительности насоса осуществляется изменением наклона ведомого диска 2 относительно вертикальной оси при помощи регулирующего кольца 8 (угол ф наклона диска 2 может изменяться в определенных пределах, однако при работе насоса угол ф остается неизменным). Зависимость производительности насоса от угла ф прямо пропорциональная. При перемещении диска 2 регулирующим кольцом 8 объемы камер изменяются, и при достижении угла между дисками 90° станут одинаковыми (производительность шарового насоса в этом случае будет равна нулю).
На рис. 3 представлен шаровой насос-мотор для гидростатического привода вентиляторов холодильника тепловоза ТЭП70. В корпусе 1 неподвижно закреплены два распределительных элемента 2, 3 с пазами и отверстиями, один из которых соединен с линией всасывания 4, другой - с
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
линией нагнетания 5. Насос-мотор имеет рукоятку 6 для регулирования производительности, жестко соединенную с цапфами регулирующего кольца, выведенными за корпус насоса. Внешний вид распределительных элементов представлен на рис. 4.
Рис. 3. Внешний вид шарового насос-мотора для гидростатического привода вентиляторов холодильника тепловоза ТЭП70: 1 - корпус; 2, 3 - элементы распределительные; 4 - линия всасывания; 5 - линия нагнетания; 6 - рукоятка
управляющая
Рис. 4. Внешний вид распределительных элементов
При работе шаровой гидромашины в качестве гидромотора, приводящего во вращение колесо вентилятора холодильника, рабочая жидкость (масло) по трубопроводу высокого давления попадает в нагнетательные рабочие камеры 5 и 7 (см. рис. 1). Под действием давления масла ведущий 1 и ведомый 2 диски перемещаются относительно друг друга, передавая усилие на вал 9 гидромотора, на который насажено вентиляторное колесо охлаждающего устройства. Во время второй половины оборота отработанная рабочая жидкость вытесняется дисками 1 и 2 в сливную (всасывающую) магистраль гидросистемы. За один оборот вала 9 масло поступит в сливную магистраль из каждой рабочей камеры.
Согласно данным руководства по эксплуатации насос-мотора МН 205/100 [3], максимальное давление в системе гидростатического привода
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
133
вентиляторов холодильника составляет 20 МПа. При заданном необходимом давлении и пределе усталости по нормальным напряжениям ( g_j -28,5 МПа - для полиуретана СКУ-7Л) при решении обратной
задачи из условия прочности были определены геометрические параметры шарового насос-мотора:
R = 0,092 м - внутренний радиус шарового корпуса; г = 0,060 м - радиус шарнира насоса; s = 0,028 м - половина толщины ведущего диска.
В соответствии с полученными геометрическими параметрами шарового насос-мотора была определена его производительность (табл. 1).
ТАБЛИЦА 1. Техническая характеристика шарового насос-мотора
Параметры Насос Мотор
Частота вращения, мин-1: номинальная 1000 1500
максимальная 1500 1500
минимальная 200 5
Подача номинальная, м3/ч 14,58 -
Расход номинальный, м3/ч - 23,55
Коэффициент полезного действия (КПД) шарового насоса при номинальном режиме работы (ппот = 1000 мин'1) не ниже 84 %. При более
низкой частоте вращения (пхх= 350 мин'1, птт =200 мин-1), что
составляет 85.. .89 % от всего цикла работы, КПД шарового насоса будет не ниже 92 % (у аксиально-поршневого НМ 250/100 КПД не превышает 90 % при том же режиме работы), так как при такой частоте вращения ротора насоса масло будет полностью заполнять всасывающие рабочие камеры.
2 Повышение эффективности гидростатического привода вентиляторов холодильника тепловоза ТЭП70
В гидростатическом приводе вентиляторов холодильника тепловоза ТЭП70 (рис. 5) мощность передается от дизеля к вентиляторам КЛ1, КЛ2 аксиально-поршневыми гидромашинами НМ1-НМ4 типа МН-250/100. Каждый вентилятор КЛ1, КЛ2 оснащается гидродвигателем НМ2, НМ4, который получает энергию статического давления жидкости (турбинное масло) от гидронасоса НМ1, НМ3. Особенностью гидростатического привода является полная унификация гидроагрегатов (гидродвигатели и насосы взаимозаменяемы) [4].
В приведенной схеме скорость вращения вентиляторных колес КЛ1, КЛ2 зависит от температуры контролируемой жидкости. Вентиляторы КЛ1, КЛ2 не вращаются, если температура жидкости низкая, перепускные клапаны К1, К2 открыты и турбинное масло стекает в охладитель СР и
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
бак-фильтр БФ, не поступая к двигателям НМ2, НМ4. С повышением температуры охлаждающей жидкости перепускные клапаны К1, К2 перекрывают слив турбинного масла, которое начинает поступать к двигателям НМ2, НМ4, раскручивая колеса вентиляторов КЛ1, КЛ2. Такая система обеспечивает высокую точность температурного режима дизеля независимо от его загрузки.
Рис. 5. Схема гидростатического привода вентилятора холодильника тепловоза ТЭП70: БФ - бак-фильтр; ВУ1-ВУ4 - воздухоспускные устройства; К1, К2 - клапаны перепускные; КЗ - клапан заправочный; КЛ1, КЛ2 - колеса вентиляторные;
КНВ - клапан невозвратный; КН1-КН3 - краны; КС - клапан сливной; МН1-МН3 - манометры; НМ2, НМ4 - гидромоторы (аксиально-поршневые); НМ1, НМ3 - аксиально-поршневые насосы; ПТ1, ПТ2 - преобразователи температуры; РГ - редуктор гидронасосов; РК1-РК4 - рукава; СР - секция радиатора масляная;
ФВ - фильтр; ФМ - фильтр масла
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
135
Если в системе гидростатического привода заменить гидронасосы на регулируемые новой конструкции, то это увеличит экономичность системы, так как мощность, потребляемая вспомогательными агрегатами, особенно при частичных нагрузках энергетической установки, будет более рационально расходоваться. При этом регулирование привода будет объемным, а не перепускным.
Разработанная схема гидростатического привода с объемным регулированием вентилятора холодильника тепловоза ТЭП70 (рис. 6) содержит регулируемые шаровые гидронасосы нового типа НМ1 и НМ3, которые приводятся во вращение от коленчатого вала дизеля через редуктор (мультипликатор) РГ. Закачивая рабочую жидкость (масло) из бака БФ, они нагнетают его под высоким давлением (от 4 до 10 МПа в зависимости от режима) соответственно в гидромоторы шарового типа НМ2 и НМ4, вращающие вентиляторные колеса КЛ1 и КЛ2. Частота вращения вентиляторов регулируется изменением производительности шаровых насосов за счет наклона их управляющей рукоятки при помощи шаговых двигателей ШД1 и ШД2.
Рис. 6. Схема гидростатического привода с объемным регулированием вентилятора холодильника тепловоза ТЭП70: КП1, КП2 - клапаны предохранительные;
НМ2, НМ4 - гидромоторы шаровые; НМ1, НМ3 - насосы шаровые;
ШД1, ШД2 - шаговые двигатели; БУ - блок управления;
ДТ1, ДТ2 - датчики температуры
Температура охлаждающей жидкости и масла измеряется датчиками ДТ1 и ДТ2, электрические сигналы идт1 и идт2 с датчиков температуры
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
СВЗщетехнические и социальные проблемы
поступают на входы блока управления. С выхода этого блока сигналы (Урег1 и Цр6г2 поступают на соответствующие входы шаговых двигателей ШД1 и ШД2 гидронасосов НМ1 и НМ3. При температуре охлаждающей жидкости и масла меньшей, чем минимальная температура, сигналы с выхода блока управления Црег1 и Црег2 равны нулю, соответственно подача гидронасосов НМ1 и НМ3 также равна нулю; валы гидромоторов НМ2 и НМ4 и связанные с ними вентиляторы КЛ1 и КЛ2 не вращаются.
По мере увеличения температуры охлаждающей жидкости и масла выше минимально заданной температуры от блока управления БУ поступят сигналы (Урег1 и Црег2 на входы шаговых двигателей ШД1 и ШД2 гидронасосов НМ1 и НМ3. Шаговые двигатели ШД1 и ШД2, в свою очередь, вызывают отклонение управляющих рукояток гидронасосов НМ1 и НМ3, увеличивая подачу рабочей жидкости, вследствие этого валы гидромоторов НМ2 и НМ4 и связанные с ними вентиляторы КЛ1 и КЛ2 начинают вращаться.
В случае дальнейшего увеличения температуры охлаждающей жидкости, масла и, соответственно, электрических сигналов на выходах датчиков температуры ДТ1 и ДТ2 посредством блока управления БУ увеличиваются сигналы на входах шаговых двигателей ШД1 и ШД2 гидронасосов НМ1 и НМ3, вызывая тем самым увеличение подачи гидронасосов и, соответственно, частоты вращения валов гидромоторов НМ2 и НМ4 с вентиляторами КЛ1 и КЛ2. Таким образом осуществляется бесступенчатое регулирование частоты вращения гидромотора при помощи объемного регулирования гидронасосов.
Система гидропривода имеет два контура с общим сливом, в ней имеется фильтр тонкой очистки масла и масляный фильтр. Для обеспечения нормальной работы гидропривода (температура масла не более 60...70 °С) при температуре окружающего воздуха плюс 40...45 °С предусмотрено охлаждение масла. Для этого охлаждающее устройство имеет масляную секцию радиатора СР, включенную параллельно с фильтрами. Часть масла, поступающая на слив из гидромоторов, проходит через соединенную параллельно фильтрам масляную секцию радиатора и при этом охлаждается.
Из холодильника масло сливается в бак-фильтр БФ и из него вновь поступает к гидронасосу. Масляный бак-фильтр, установленный в крышевом блоке над дизелем, предназначен для компенсации масла в случае утечек, а также обеспечения некоторого подпора (0,05.0,07 МПа) во всасывающем трубопроводе гидронасосов, повышающего надежность работы. Бак снабжен стеклом для контроля за уровнем масла. Давление в нагнетающем трубопроводе показывают манометры МН1 и МН2. При превышении максимального значения давления (20 МПа) срабатывают предохранительные клапаны КП1 и КП2. Для слива масла из системы служит клапан сливной КС.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
Общетехнические и социальные проблемы
137
Заключение
Г идропривод с объемным регулированием экономичнее гидропривода с регулированием перепуском, причем благодаря достаточно простой конструкции шарового насоса и легкости его регулирования удастся избежать основных недостатков, связанных с возможностью регулирования (обычно регулируемый насос имеет большую массу и сложнее в изготовлении). Регулируемый шаровой насос-мотор имеет меньшие габаритные размеры (0,216x0,256x0,256 м) по сравнению с нерегулируемым аксиально-поршневым МН 250/100 (0,200x0,305x0,615 м) и более высокий КПД при частотах вращения n до 800 мин-1.
В эксплуатации гидростатический привод с объемным регулированием позволяет экономно расходовать мощность, потребляемую вспомогательными агрегатами, особенно при частичных нагрузках энергетической установки. Предлагаемый гидропривод объемного регулирования позволяет повысить надежность работы тепловоза, отражающуюся в уменьшении расходов на ремонт и техническое обслуживание при одновременном увеличении ресурса работы оборудования, и расширить функциональные возможности по регулированию момента и скорости нагрузки.
Библиографический список
1. Теория и конструкция локомотивов : учебник для вузов ж.-д. транспорта / Г. С. Михальченко, В. Н. Кашников, В. С. Коссов, В. А. Симонов; ред. Г. С. Михальченко. - М. : Маршрут, 2006. - 584 с. - ISBN 5-89035-372-1.
2. Прогнозирование надежности объемного шарового насоса нового типа. Трибология и надежность : сб. научных трудов VIII Международной конференции, 2325 октября 2008 г., Санкт-Петербург; ред. проф. К. Н. Войнов / Е. В. Черток. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2008. - С. 269-279.
3. Насос-мотор аксиально-поршневой нерегулируемый МН 250/100. Тип № 20. ИМВЖ 063144001-01 : руководство по эксплуатации. - Шахты : ЗАО «Шахтинский электромеханический завод», 1989. - 16 с.
4. Пассажирский тепловоз ТЭП70 / В. Г. Быков и др. - М. : Транспорт, 1976. -
232 с.
Статья поступила в редакцию 31.03.2010;
представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.
Общетехнические и социальные проблемы
УДК 539.3
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2010/2
