CC BY
134
ПРОБЛЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 629.424.3: 629.4.027
В. А. Кручек
д-р техн. наук, профессор (ФГБОУ ВПО ПГУПС)
ВЫБОР ТЯГОВОГО ПРИВОДА КОЛЕСНЫХ ПАР ЛОКОМОТИВОВ ПО ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИМ
ПОКАЗАТЕЛЯМ
Обоснован способ выбора типа тягового привода колесных пар для железнодорожного тягового подвижного состава. На основе анализа конструктивных особенностей индивидуального и группового тягового привода колесных пар выполнено сравнение их техникоэкономической эффективности. Определена область применения индивидуального и группового привода колесных пар для современных транспортных и промышленных локомотивов.
Индивидуальный и групповой тяговый привод колесных пар, конструктивные и техникоэкономические показатели, показатели сравнения, область применения.
Основное требование, предъявляемое к тяговому приводу колесных пар локомотива, - преобразование и передача потока мощности от тягового агрегата к колесным парам. Важно обеспечить безотказность работы привода, так как отказ приводит к снижению безопасности движения поездов и нарушению графика движения. Вместе с тем необходимо учитывать и техникоэкономические показатели обеспечения безопасности. Поэтому большое внимание уделяется уменьшению потерь энергии, повышению к. п. д., снижению материалоемкости, оптимизации массо-габаритных показателей, снижению воздействия экипажа на путь, обеспечению контроля и ремонтопригодности, уменьшению трудоемкости при обслуживании и ремонте.
В качестве тягового привода колесных пар на локомотиве могут быть применены приводы двух классов - индивидуального и группового. Возникает проблема сравнения их эффективности и выбора.
На основе анализа конструктивных особенностей индивидуального и группового тягового привода колесных пар выполним анализ их техникоэкономической эффективности по представленной схеме. Индивидуальный
5
Схема технико-экономического сравнения локомотивов с индивидуальным и групповым тяговыми приводами
6
и групповой тяговые приводы колесных пар локомотивов отличаются в кон -структивном плане количеством и размещением тяговых агрегатов, а также способом передачи вращающего момента дизеля к колесным парам.
Для индивидуального одностороннего привода характерно большое количество тяговых агрегатов. Групповой привод отличается минимальным числом тяговых агрегатов, но замкнутостью цепи передачи силы тяги к колесным парам и наличием избыточных связей.
Число единиц тяговых агрегатов на локомотиве определяет в целом его надежность, живучесть, общую стоимость и трудоемкость ремонта. Так как для группового привода колесных пар число тяговых агрегатов минимально, общая стоимость локомотива, оборудованного таким приводом, на 5-7 % ниже [1, 2], трудоемкость плановых видов ремонта на 40-50 % меньше, а надежность выше [1, 3] по сравнению с локомотивом, имеющим индивидуальный привод колесных пар. Однако живучесть локомотива с групповым приводом ниже, чем локомотива с индивидуальным приводом колесных пар, так как отказ тягового агрегата вызывает выход из строя всего локомотива [1].
Вследствие минимального количества тяговых агрегатов и их рационального расположения на локомотиве с групповым приводом колесных пар длина и масса экипажной части уменьшаются примерно на 15 % по сравнению с аналогичными показателями в случае индивидуального привода [1, 4]. Уменьшение массы и момента инерции экипажной части при групповом приводе колесных пар положительно сказывается на динамических свойствах локомотива и уровне воздействия его на путь, особенно при высокой скорости движения [1, 5, 6], лучшие габаритные показатели снимают ограничение на мощность тягового агрегата и удельной силы тяги локомотива [1], а также способствуют обеспечению лучшего вписывания локомотива в кривые участки пути [1] по сравнению с экипажем локомотива с индивидуальным приводом колесных пар.
Тип энергетической цепи передач тягового усилия существенным образом сказывается на величине статических и динамических нагрузок элементов привода. Замкнутость цепи передачи силы тяги в групповом приводе колесных пар играет как положительную, так и отрицательную роль [1, 5]. Замкнутость цепи передачи усилий в групповом приводе вызывает перераспределение тягово-тормозных усилий по колесным парам в случае изменения значений внешних факторов (нагрузки на ось, коэффициента сцепления и др.), что не отмечается при индивидуальном приводе осей без установки дополнительных специальных систем и оборудования. В результате использование сцепной массы и величина реализуемого коэффициента сцепления для локомотивов с групповым приводом, по данным различных авторов, на 6-35 % выше, чем для локомотивов с индивидуальным приводом колесных пар [1, 2]. Аналогичным образом объясняется и меньшая вероятность боксования и юза локомотивов с групповым приводом, а также большая вероятность реализа-
7
ции нормы массы поезда относительно локомотивов с индивидуальным приводом осей, что особенно важно при значительной нестабильности сцепления колес с рельсами.
Замкнутость цепи передачи усилий в групповом приводе вызывает дополнительные статические и динамические нагрузки в его элементах, вызываемые возмущающими факторами. К ним относятся колебания надрес-сорного строения тележек от воздействия пути, в частности стыков, а также пространственное положение реактивных тяг осевых редукторов и упругокинематические погрешности элементов тягового привода: разность жесткостей параллельных ветвей привода, влияющая на распределение нагрузок по колесным парам в стоповом режиме работы локомотива и при изменении силы тяги в движении [1, 6]. Следует особо отметить разность диаметров кругов катания колесных пар, в значительной степени определяющую перераспределение тягово-тормозных усилий по осям в движении [1, 4, 5], и кинематические погрешности осевых редукторов и углы изломов карданных валов, вызывающие значительные динамические нагрузки [5, 7]. Дополнительные статические и динамические нагрузки приводят к: снижению надежности элементов группового тягового привода по сравнению с индивидуальным [1, 8]; уменьшению коэффициента полезного действия привода на 2-6 %, что связано не только с потерями энергии вследствие избыточных связей, но и с увеличением числа зубчатых колес и подшипников в осевых редукторах [1]; увеличению по аналогичным причинам сопротивления движению локомотива на холостом ходу на 15-30 % [1]; снижению статического прогиба буксовой ступени на 30-35 % рессорного подвешивания в связи с параллельным включением в рессорную систему крутильной жесткости привода [1]; повышению требований к техническому обслуживанию и ремонту элементов группового привода. Отмечается, например, что малая величина допуска на разность диаметров кругов катания 1 мм вызывает необходимость дополнительной обточки колесных пар при их установке в групповой привод [1].
Необходимо отметить, что в режиме боксования под воздействием фрикционных автоколебаний [5] в тяговом приводе возникают динамические нагрузки, превосходящие статические в несколько раз, что особенно сильно проявляется при замкнутости цепи передачи тягового усилия, т. е. в групповом приводе. Динамические нагрузки превосходят статические в три - пять раз [5], что вынуждает устанавливать большой запас прочности элементов группового привода.
Результаты выполненного технико-экономического сравнения локомотивов с индивидуальным и групповым приводами колесных пар систематизированы и представлены в виде таблицы. Цифра 0 указывает на то, что данный тип привода уступает тому, с которым сравнивается, а цифра 1 свидетельствует о его превосходстве по соответствующему показателю.
8
Технико-экономическое сравнение локомотивов с индивидуальным и групповым приводами колесных пар
Критерии сравнения Привод
Показатели индивиду- альный группо- вой
Экономические и массо-габарит- Количество силового оборудования и стоимость локомотива в целом 0 1
ные показатели Габаритные размеры и масса экипажной части 0 1
Ограничение мощности приводного двигателя 0 1
Тягово-тормозные свойства Коэффициент использования сцепной массы (вероятность боксования и вероятность реализации нормы массы поезда) 0 1
Коэффициент полезного действия 1 0
Удельное сопротивление движению 1 0
Тормозные свойства 0 1
Безотказность Надежность локомотива в целом 0 1
работы Надежность элементов тягового привода 1 0
Живучесть локомотива 1 0
Ремонтопригод- ность Трудоемкость обслуживания и ремонта локомотива 0 1
Чувствительность нагруженности привода к технологическим отклонениям элементов 1 0
Воздействие локомотива Влияние на рессорное подвешивание локомотива 1 0
на путь Динамическое воздействие на путь и шумовые показатели 0 1
Из данных таблицы следует, что ни индивидуальный ни групповой тяговый привод колесных пар локомотива не имеет однозначного преимущества. Данное обстоятельство хорошо прослеживается на практике.
В нашей стране в последние годы наметилась тенденция к преимущественному использованию индивидуального привода для магистральных пассажирских и грузовых локомотивов, а группового привода - для маневровых и промышленных локомотивов. Эта тенденция, вероятно, связана с тем, что к маневровым и промышленным локомотивам предъявляются более высокие требования в плане общей стоимости, надежности, трудоемкости ремонта и тяговых свойств в условиях работы с высокими тяговыми нагрузками при нестабильном сцеплении колес с рельсами, где групповой привод имеет
9
преимущество перед индивидуальным. Для магистральных локомотивов, по-видимому, приоритетными считаются требования минимальных потерь энергии в приводе при более высокой скорости движения и меньших тяговых усилиях, чувствительности привода к технологическим отклонениям его элементов и живучести локомотивов, в чем индивидуальный привод превосходит групповой.
В других странах, особенно во Франции и Италии, прослеживается иная тенденция. Признается целесообразным использование группового привода колесных пар для локомотивов любых родов службы. В частности, выделяется преимущество мономоторного привода при высокоскоростном движении, когда важным обстоятельством становится чувствительность локомотива к кратковременной потере сцепления колес с рельсами [5].
В нашей стране с развитием высокоскоростного движения и с увеличением интенсивности эксплуатации магистральных локомотивов, что предъявляет повышенные требования к использованию их сцепной массы, а также с внедрением на локомотивах электродвигателей переменного тока внимание к применению группового тягового привода колесных пар на магистральных локомотивах, по-видимому, будет возрастать.
Указатель литературы
1. Развитие локомотивной тяги / под ред. Н. А. Фуфрянского, А. Н. Бевзен-ко. - М.: Транспорт, 1988. - 344 с.
2. Беляев А. И. Совершенствование тяговых приводов локомотива / А. И. Беляев // Железнодор. транспорт. - 1974. - № 11. - С. 54-57.
3. Головатый А. Т. Техническое обслуживание и ремонт локомотивов за рубежом / А. Т. Головатый, Ю. А. Лебедев. - М.: Транспорт, 1977. - 126 с.
4. Сабуров Ф. Ф. Энергетика перспективного тягового привода / Ф. Ф. Сабуров, В. И. Бахолдин // Железнодор. транспорт. - 1986. - № 5. - С. 36-38.
5. Бирюков И. В. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог / И. В. Бирюков, А. И. Беляев, Е. К. Рыбников. - М.: Транспорт, 1986. - 256 с.
6. Добрынин Л. К. Динамические нагрузки в трансмиссии тепловоза ТГМ10 / Л. К. Добрынин, В. А. Лысак. - Коломна: ВНИТИ, 1964. - Вып. 20. С. 142-169.
7. Павленко A. П. К определению динамических нагрузок в карданных приводах локомотивов / А. П. Павленко // Вестн. Всесоюз. науч.-исслед. ин-та железнодор. трансп. - 1971. - № 2. - С. 26-29.
8. Гриневич В. П., Мягких О. В. Исследование тяговых и тормозных свойств тепловозов ТЭМ2 и ТГМ6 в зоне малых скоростей / В. П. Гриневич, О. В. Мягких. -Коломна: ВНИТИ, 1976. - Вып. 44. - С. 89-97.
© Кручек В. А., 2011.
10
