Гидравлическая передача тепловоза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

До 1957 года промышленностью выпускались в основном тепловозы с электрической передачей. Электрическая передача хорошо зарекомендовала себя в эксплуатации, однако она имеет очень высокий удельный вес (8 - 10 кг/л. с.), значительно превышающий вес гидравлической передачи (3,3 - 7 кг/л. с.). Наряду с большим весом недостатком электрической передачи является ее высокая стоимость и большой расход меди на изготовление электрических машин (4 кг/л. с.). Расход меди на изготовление вспомогательных электрических машин тепловозов с гидравлической передачей составляет всего 0,2 кг/л. с.

КПД электрических и гидравлических передач при равных условиях одинаковы.

Внедрение гидравлических передач позволит значительно снизить вес тепловозной передачи, уменьшить ее стоимость и сократить расход цветных металлов.

Появление тепловозов с гидравлической передачей стало возможным благодаря работам выполненным в конце 20-х начале 30-х гг, в Ленинграде тепловозной лабораторией и МВТУ имени Баумана.

Первая гидромуфта была создана Кудрявцевым в 1929 году, первый гидротрансформатор был создан в МВТУ в 1932-1934 гг. В дальнейшем эти работы получили развитие в НИИ Гидромаша имени Калинина.

Гидравлическая передача устанавливается между дизелем и движущим механизмом, которая передает колесам равномерный вращающий момент, сглаживая и поглощая колебания со стороны дизеля и удары со стороны колес. Она реализует полную мощность дизеля в диапазоне скоростей: минимальной, ограниченной сцеплением колес с рельсами, и конструкционной. При длительной скорости 4 км/ч наступает ограничение работы гидропередачи вследствие перегрева масла. Гидравлическая передача позволяет отключать дизель от ведущих колес тепловоза во время стоянки, а при движении развивать одинаковую силу тяги в обоих направлениях.

В гидропередаче механическая энергия дизеля преобразуется в энергию потока жидкости. Затем энергия потока жидкости переходит в механическую, но уже с другими параметрами, т.е. с измененными частотой вращения и вращающим моментом. Преобразование энергии происходит в гидравлических аппаратах, которые состоят из центробежного насоса и гидравлической турбины, объединенных в общем корпусе.

Гидравлическая передача нашла широкое применения на тепловозах вывозной и маневровой работы следующих серий: ТГМ3А, ТГМ3Б, ТГМ4А, ТГМ4, ТГМ4Б, ТГМ6А, ТГМ8, ТГМ23В и др.

гидроаппарат тяговый тепловоз дизель

1. Выбор количества и типов гидроаппаратов

На тепловозах и дизель-поездах, как правило, применяют многоциркуляционные гидродинамические передачи, состоящие из двух или трех гидроаппаратов. В качестве гидроаппаратов используются гидротрансформаторы и гидромуфты. На первой ступени применяются лишь гидротрансформаторы, на второй и третьей как гидротрансформаторы, так и гидромуфты.

Количество и типы гидротрансформаторов для проектной передачи выберается в завмсимости от скорости тепловоза. Диапазон скорости движения тепловоза 25-30 км/ч обеспечивает заданную экономичность работы передачи. Количество гидроаппаратов определим по формуле (1).

, (1)

где V_кон - конструкционная скорость тепловоза: V_кон =100 км/ч.

.

Из решения видно, что для данной конструкционной скорости требуется три гидроаппарата.

Подбор гидроаппаратов для совместной работы в многоциркуляционной передаче осуществляется путем совмещения экономических характеристик гидроаппаратов при условии, что КПД передачи во всем скоростном диапазоне работы тепловоза будет не ниже 80%.

При подборе типов ГТР для ГДП с промежуточным валом на первой степени скорости в данном случае применяеьтся гидротрансформатор типа Т521, на второй и третьей Т04. Нужное смещение экономических характеристик маршевых ГТР достигается с помощью дополнительных пар силовых зубчатых колес, тоесть ГТР работает на свою пару зубчатых колес.

Принимаем, что при работе на первой ступени тепловоз достигнет скорости 30 км/ч при передаточном отношении 0,55. Соответственно для конструкционной скорости передаточное отношение равно 0,55 •100/30=1,833.

Экономические характеристики для совместной работы данной передачи приведены на рисунке 1.

Из рисунка 1 видно, что в данной гидропередаче локомотив розвивает скорость на первом ГТР от 0 до 30 км/ч, на втором ГТР от 30 до 58,6 км/ч, на третьем ГТР он достигает конструкционной скорости равной 100 км/ч.

2. Определение основных геометрических размеров кругов циркуляции

2.1 Определение активного диаметра кругов циркуляции

Активный диаметр проектируемого по методу подобия ГА определяется по формуле

D_а=, (2)

где - вращающий момент на валу дизеля при номинальном режиме его работы, ; определяется по внешней скоростной характеристике дизеля, приведенной в приложении и равен 1600[5];

- доля затрат мощности дизеля на вспомогательные нужды тепловоза, дана в задании и равна ;

- КПД повышающего редуктора, [1];

- коэффициент, характеризующий энергоемкость ГА. Для ГТР устанавливается по характеристикам , приведенным в приложении А[5]. Значение для пускового и маршевого ГТР 2-й и 3-й ступени скорости определяется по величинам и по величине соответственно. Для Т521 - , для Т04- ;

- частота вращения вала дизеля при номинальном режиме его работы, ; определяется по справочной литературе. [3];

- передаточное отношение повышающего редуктора.

Передаточное отношение повышающего редуктора определяется по формуле

, (3)

где - частота вращения вала насосного колеса, ; принимаем по заданию равным , .

Подставим численные значения в формулу (3)

.

Подставим численные значения в формулу (2)

- Т521

м.

- Т04

м.

2.2 Определение геометрических размеров кругов циркуляции

При определении геометрических размеров кругов циркуляции ранее определенный активный диаметр принимается за единицу, а все остальные геометрические размеры кругов циркуляции даны в далях величины активного диаметра.

3. Расчет условий совместной работы дизеля и гидроаппаратов

При совместной работе на тепловозе дизель и работающий ГА образуют единую систему, равновесное состояние которой определяется энергетическим балансом, который можно определить по следующей формуле

, (4)

где - эффективная мощность дизеля, кВт. Дана в задании и равна кВт.

Подставим численные значения в формулу (4)

кВт.

В связи с тем, что между, дизелем и главным валом гидропередачи, как правило, устанавливают повышающий редуктор, из баланса вращающих моментов можно определить величину момента насосного колеса, приведенную к валу дизеля:

, (5)

или, подставляя в формулу (5),

и ,

окончательно получим

(6)

3.1 Согласование характеристик дизеля и «непрозрачного» ГТР

«Непрозрачным» называют ГТР, у которого величина энергоемкости практически не зависит от изменения передаточного отношения i, тоесть нагрузка на вал дизеля при практически не изменяется скорости движения тепловоза. Для таких ГТР равен единице коэффициент прозрачности , который определяется по формуле

, (7)

где - крутящий момент насосного колеса при м передаточном отношении;

- крутящий момент насосного колеса при максимальном передаточном отношении.

Как видно из формулы (6), подставив её в формулу (7):

,

Подставив значения и сведем результаты расчетов в таблицу:

гл?1000	П		гл?1000	П
4,67	1,08		15,5	3,79
4,77	1,05		13,2	3,22
4,95	1,02		11,5	2,81
5,1	0,99		10,5	2,57
5,23	0,96		9,7	2,37
5,32	0,94		9	2,2
5,43	0,93		8,5	2,08
5,55	0,91		8	1,96
5,59	0,9		7,5	1,83
5,6	0,9		7,1	1,74
5,55	0,91		6,8	1,66
5,52	0,91		6,5	1,59
5,46	0,92		6,2	1,52
5,35	0,94		5,85	1,43
5,19	0,97		5,45	1,33
5,1	0,99		5	1,22
5	1		4,65	1,14
			4,2	1,03
			4,1	1

Учитывая, что характеристики реальных тепловозных ГТР на отдельных участках могут иметь некоторое отклонение от прямой линии, к «непрозрачным» ГТР можно отнести те, для которых во всем диапазоне изменения i. Поэтому ГТР2 и ГТР3 относим к «непрозрачным».

Для «непрозрачного» ГТР момент насосного колеса, приведенный к валу дизеля, можно определить из выражения (6), которое после упрощения имеет вид

, (8)

где - коэффициент, учитывающий постоянные членыуравнения (6)

, (9)

где - коэффициент энергоемкости ГТР Т04 при оптимальном передаточном отношении .

Подставим численные значения в формулу (9)

.

Зная по формуле (8) определим момент насосного колеса

.

Порядок совмещения характеристик дизеля и «непрозрачного» ГТР следующий: задаваясь шагом изменения частоты вращения вала дизеля об/мин, по формуле (8) для диапазона определяются текущие значения нагрузочной характеристики .

Таблица 1 - Расчет нагрузочной характеристики «непрозрачного» ГТР

мин-1	0	200	400	600	800	1000	1200	1400	1500
Н м	0	26	104	235	418	653	940	1280	1469

После расчета нагрузочной характеристики «непрозрачного» ГТР на листе бумаге в масштабе построим внешнюю скоростную характеристику дизеля и по данным таблицы 1 - нагрузочную характеристику дизеля «непрозрачного» ГТР. Здесь же построим характеристику . Пересечение нагрузочной характеристики ГТР со скоростной характеристикой дизеля и даст режим их совместной работы.

3.2 Согласование характеристик дизеля и «прозрачного» ГТР

Как отмечалось ранее, прозрачность ГТР оценивается с помощью коэффициента прозрачности П; при П > 1 ГТР имеет прямую прозрачность (нагружает дизель при увеличении момента на турбинном колесе), при П < 1 - обратную прозрачность.

Порядок расчета и совмещения характеристик дизеля и «прозрачного» ГТР в целом такой же, как и для «непрозрачного» ГТР. Разница состоит в том, что энергоёмкость «прозрачного» ГТР зависит от передаточного отношения и, следовательно, для каждого значения i существует свое значение и своя парабола нагружения дизеля.

После расчета нагрузочной характеристики «прозрачного» ГТР на листе бумаге в масштабе построим внешнюю скоростную характеристику дизеля и по данным таблицы 2 - нагрузочные характеристики дизеля «прозрачного» ГТР. Здесь же построим характеристику . Пересечение нагрузочных характеристик ГТР со скоростной характеристикой дизеля и даст режим их совместной работы.

Таблица 2 - Расчет нагрузочной характеристики «прозрачного» ГТР

мин-1	i	гл?1000	0	200	400	600	800	1000	1200	1400	1500
Н м	0,00	15,5	0	63	250	563	1001	1564	2252	3066	3519
	0,05	13,2	0	53	213	480	852	1332	1918	2611	2997
	0,10	11,5	0	46	186	418	743	1160	1671	2275	2611
	0,15	10,5	0	42	170	381	678	1060	1526	2077	2384
	0,20	9,7	0	39	157	352	626	979	1410	1919	2202
	0,25	9	0	36	145	327	581	908	1308	1780	2043
	0,30	8,5	0	34	137	309	549	858	1235	1681	1930
	0,35	8	0	32	129	291	517	807	1162	1582	1816
	0,40	7,5	0	30	121	272	484	757	1090	1483	1703
	0,45	7,1	0	29	115	258	459	716	1032	1404	1612
	0,50	6,8	0	27	110	247	439	686	988	1345	1544
	0,55	6,5	0	26	105	236	420	656	945	1286	1476

4. Расчет и построение универсальных характеристик ГТР и ГМ

4.1 Расчет внешней универсальной характеристики гидротрансформатора

Внешняя универсальная характеристика гидроаппарвта представляет собой графическую зависимость величин вращающих моментов на насосном и турбинном колесах и КПД от частоты вращения турбинного вала при номинальном режиме работы дизеля (), т.е. на максимальной позиции рукоятки контроллера машиниста.

Для расчета параметров внешней универсальной характеристики ГТР рекомендуется использовать его приведенные (безразмерные) характеристики , , : [5]. Пересчет характеристик можно осуществить с помощью следующих формул:

Вращающий момент на насосном колесе

; (10)

Вращающий момент на турбинном колесе

; (11)

Частота вращения турбинного вала

; (12)

КПД

 (13)

Определим параметры для внешней универсальной характеристики Т521 при передаточном отношении , для этого воспользуемся формулами (10), (11), (12), (13).

Расчет параметров внешней универсальной характеристики ГТР занесем в таблицу 3.

Таблица 3 - Расчет внешней универсальной характеристики ГТР Т521

0,0	0	15,5	2715	4,1	11132	0,000
0,05	95	13,2	2312	3,86	8924	0,193
0,10	190	11,5	2015	3,63	7314	0,363
0,15	285	10,5	1839	3,39	6234	0,508
0,20	380	9,7	1699	3,16	5369	0,632
0,25	475	9	1577	2,92	4605	0,730
0,30	570	8,5	1489	2,69	4005	0,807
0,35	665	8	1401	2,45	3432	0,857
0,40	760	7,5	1314	2,21	2904	0,884
0,45	855	7,1	1244	1,98	2463	0,891
0,50	950	6,8	1191	1,74	2072	0,870
0,55	1045	6,5	1139	1,51	1720	0,831
0,60	1140	6,2	1086	1,27	1379	0,762

Таблица 4 - Расчет внешней универсальной характеристики Т04

0,0	0	4,67	954	6,25	5963	0,000
0,05	95	4,77	974	5,55	5406	0,278
0,10	190	4,95	1011	4,85	4903	0,485
0,15	285	5,1	1041	4,15	4320	0,622
0,20	380	5,23	1068	3,6	3845	0,720
0,25	475	5,32	1086	3,1	3367	0,775
0,30	570	5,43	1109	2,77	3072	0,831
0,35	665	5,55	1133	2,4	2719	0,840
0,40	760	5,59	1141	2,12	2419	0,848
0,45	855	5,6	1144	1,88	2151	0,846
0,50	950	5,55	1133	1,68	1903	0,840
0,55	1045	5,52	1127	1,53	1724	0,841
0,60	1140	5,46	1115	1,4	1561	0,840
0,65	1235	5,35	1092	1,26	1376	0,819
0,70	1330	5,19	1060	1,11	1177	0,777
0,75	1425	5,1	1041	1	1041	0,750

4.2 Расчет и построение частичных универсальных характеристик ГТР

Частичные универсальные характеристики как и внешняя, представляют собой графические зависимости , и , но для промежуточных позиций рукоятки контроллер машиниста и соответствующих частот вращения насосного вала. Расчеты можно ограничить тремя режимами работы дизеля тепловоза: ; ; ; [7].

Для каждого режима работы будем использовать следующие формулы:

; (14)

; (15)

; (16)

; (17)

Подставим численные значения в формулы (14), (15), (16) и (17) соответственно

,

,

,

.

Расчет параметров частичных универсальных характеристик ГТР занесем в таблицы 5 и 6.

Таблица 5 - Расчет параметров частичных универсальных характеристик ГТР Т521

0	8043	1962	0	0	6262	1527	0	0	1002	244	0
81	6448	1670	0,194	71	5020	1301	0,192	29	803	208	0,196
162	5284	1456	0,364	143	4114	1133	0,364	57	658	181	0,364
242	4504	1329	0,508	214	3507	1034	0,509	86	561	166	0,51
323	3879	1228	0,632	285	3020	956	0,632	114	483	153	0,631
404	3327	1139	0,731	356	2590	887	0,729	143	414	142	0,731
485	2894	1076	0,808	428	2253	838	0,808	171	360	134	0,806
565	2480	1012	0,857	499	1931	788	0,858	200	309	126	0,86
646	2098	949	0,884	570	1634	739	0,884	228	261	118	0,885
727	1780	899	0,891	641	1385	700	0,89	257	222	112	0,894
808	1497	860	0,871	713	1166	670	0,871	285	186	107	0,869
888	1243	823	0,83	784	968	641	0,831	314	155	103	0,829
969	996	785	0,761	855	776	611	0,762	342	124	98	0,759

5. Составление схемы привода колесных пар тепловоза

Трансмиссия тепловоза обеспечивает передачу и трансформацию вращающего момента от дизеля к колесным парам. Отдельные узлы трансмиссии работают в тяжелых условиях. Для осевой формулы 3-0-3 схема привода показана на рисунке.

Схема привода колесных пар проектного тепловоза

6. Расчет и построение тягово-экономических характеристик

6.1 Расчет тяговой характеристики тепловоза

Для заданного расчета необходимо иметь:

приведенные характеристики ГА передачи;

точки или зоны совместной работы дизеля и ГТР;

кинематическую схему проектной ГП;

значения передаточных отношений зубчатых зацеплений механической трансмиссии передачи.

Определим текущие значение касательной силы тяги локомотива при работе на i-м гидроаппарате

,

где С₃ - коэффициент, учитывающий постоянные члены выражения;

_{ГА i} - текущее значение КПД i-го гидроаппарата; определяется по приведенной характеристике =f(i);

M_еi - вращающий момент на валу дизеля соответствующей точке совместной работы дизеля и i-го гидроаппарата;

i_{ГА i} - текущее значение передаточного отношения i-го гидроаппарата в диапазоне его экономической работы ;

i_{мех i} - передаточное число механической трансмиссии передачи при работе на i-го гидроаппарате.

Коэффициент, учитывающий постоянные члены выражения,

где _ц - КПД цилиндрических зубчатых колес, входящих в передачу, _ц =0,98% [6];

z1 - число пар цилиндрических зубчатых колес, находящихся в зацеплении; z1=4;

_к - КПД конических зубчатых колес, входящих в передачу; _к=0,97 [6];

z2 - число пар конических зубчатых колес, находящихся в зацеплении; z2=1;

_кп - общий КПД всех карданных приводов колесных пар или спарников и шатунного механизма; _кп=0,98 [1];

Для определения значение касательной силы тяги локомотива в момент трогания воспользуемся следующей формулой

,

кН

Определим текущие значения скорости движения локомотива при работе на i-ом гидроаппарате

,

где n_{е i} - частота вращения коленчатого вала дизеля, соответствующая точке совместной работы дизеля и i-го гидроаппарата.

Определим ограничение силы тяги по условиям сцепления колесных пар с рельсами

,

где Р_К - сцепной вес локомотива, по заданию Р_К=1150 кН;

_кр - расчетный коэффициент сцепления.

Для промышленных тепловозов

,

Расчет ограничения силы тяги по условиям сцепления колесных пар с рельсами

V, км/ч	шкр	Fксц, Н
0	0,300	345000
1	0,289	332679
2	0,281	322742
3	0,274	314559
4	0,268	307703
5	0,263	301875
6	0,258	296860
7	0,254	292500
8	0,251	288673
9	0,248	285288
10	0,245	282273
11	0,243	279569
12	0,241	277131
13	0,239	274922
14	0,237	272910
15	0,236	271071
16	0,234	269384
17	0,233	267829
18	0,232	266392
19	0,230	265061

6.2 Расчет экономических характеристик тепловоза

КПД проектной передачи

,

КПД локомотива с проектной передачей

,

где _е - эффективный КПД дизеля, _е=0,368.

Расчет параметров тягово-экономических характеристик локомотива с проектной передачей сводим в таблицу.

По данным таблицы осуществляем построение тяговой характеристики тепловоза с проектной передачей.

Расчет параметров тягово-экономических характеристик локомотива с проектной передачей

ГТР	i		Mei,	nei, об/мин	FK,	vi, Км/ч	ГП	Т
1	0,000	0,000	1763	1020	61080	0,0	0,000	0,000
	0,050	0,193	1775	1110	57893	2,0	0,169	0,057
	0,100	0,363	1755	1179	53830	4,2	0,318	0,108
	0,150	0,508	1740	1231	49793	6,6	0,445	0,151
	0,200	0,632	1729	1275	46166	9,2	0,554	0,188
	0,250	0,730	1710	1316	42191	11,8	0,640	0,217
	0,300	0,807	1690	1346	38413	14,5	0,708	0,240
	0,350	0,857	1670	1380	34552	17,3	0,751	0,255
	0,400	0,884	1648	1417	30775	20,3	0,775	0,263
	0,450	0,891	1630	1447	27271	23,4	0,781	0,265
	0,500	0,870	1617	1472	23774	26,4	0,763	0,258
	0,550	0,831	1600	1497	20427	29,6	0,729	0,247
2	0,423	0,775	1600	1500	24632	22,9	0,680	0,230
	0,508	0,831	1600	1500	22010	27,5	0,729	0,247
	0,592	0,840	1600	1500	19070	32,1	0,737	0,250
	0,677	0,848	1600	1500	16845	36,6	0,744	0,252
	0,761	0,846	1600	1500	14938	41,2	0,742	0,251
	0,846	0,840	1600	1500	13349	45,8	0,737	0,250
	0,931	0,841	1600	1500	12150	50,4	0,737	0,250
	1,015	0,840	1600	1500	11124	55,0	0,737	0,250
	1,075	0,836	1600	1500	10455	58,2	0,733	0,248
3	0,917	0,840	1600	1500	12252	49,9	0,737	0,250
	1,048	0,848	1600	1500	10823	57,0	0,744	0,252
	1,179	0,846	1600	1500	9598	64,2	0,742	0,251
	1,310	0,840	1600	1500	8577	71,3	0,737	0,250
	1,440	0,841	1600	1500	7806	78,4	0,737	0,250
	1,571	0,840	1600	1500	7147	85,6	0,737	0,250
	1,702	0,819	1600	1500	6432	92,7	0,718	0,243
	1,833	0,800	1600	1500	5835	100,0	0,701	0,238

Литература

Шаройко П.М., Середа В.Т. Гидравлические передачи тепловозов. М.: Трансжелдориздат, 1963.

Тепловоз ТГМ1 / Бибиков Ю.С., Лемтюгов В.И. Русак А.М. и др. М.: Транспорт, 1977.

Двигатели внутреннего сгорания (тепловозные дизели и газотурбинные установки) Симсон А.Э. Хомич А.З., Куриц А.А. и др. М.: Транспорт, 1997.

Тепловозы промышленного транспорта: справочник/ Н.Н. Залит М.: Транспорт, 1980.

В.М. Овчинников, В.С. Руднев, В.А. Халиманчик Гидравлические передачи тепловозов. Пособие к курсовой работе. Гомель, 2000.

В.И. Врублевская Детали машин и основы конструирования, ч-1. Гомель, 1991.

Размещено на Allbest.ru