Конспект лекций. Конспект лекций по дисциплине подвижной состав железных дорог Н. Новгород 2014 Содержание. Введение. 4 Тема 1 Электроснабжение железных дорог. 4 Принципиальная схема электроснабжения. 4 Внешнее электроснабжение. 4
 Скачать 3.42 Mb.
|
|
Тема 3: Классификация подвижного состава. Классификация локомотивов. 1.По роду службы: грузовые; пассажирские; маневровые; промышленные (в основном тепловозы с гидропередачей используются на подъездных путях и цехах промышленных предприятий); универсальные (грузопассажирские, маневрово-вывозные и другие). Скорость движения локомотива определяется по формуле:  V = , гдеnдв – частота вращения якоря электродвигателя; Dк – диаметр колеса колесной пары; μ – передаточное отношение зубчатой передачи. Сила тяги локомотива определяется по формуле: , где Мвр– вращающий момент, передаваемый от электродвигателя на колесную пару. Передаточное отношение: это отношение числа зубьев зубчатого колеса к числу зубьев шестерни. Передаточное отношение зубчатой передачи показывает, во сколько раз медленнее вращается колесная пара по сравнению с вращением якоря электродвигателя. Для пассажирских локомотивов не так важна сила тяги, как важна скорость. А для грузовых локомотивов – наоборот. Поэтому передаточное отношение у пассажирских локомотивов принимается 1,5 ÷ 3,0 , а у грузовых локомотивов принимается 3,5 ÷ 5,0. В качестве тяговых электродвигателей используются быстроходные электродвигатели, имеющие меньшие габариты. 2.По ширине колеи: шириной колеи 1520 мм; узкой колеи 610 ÷ 1067 мм. В США, Канаде, ряде стран Азии и Африки, и Латинской Америки ширина рельсовой колеи 1435 мм; в Аргентине, Индии, Иране, Пакистане, Тайване, Португалии и ряде стран Азии ширина рельсовой колеи 1676 мм; в Японии и многих странах Азии и Африки ширина рельсовой колеи 1067 мм. В России, странах Балтии, СНГ, Финляндии и Монголии ширина рельсовой колеи 1520 мм. 3.По типу кузова: вагонного типа; капотного типа (устанавливаются на тепловозах маневровых и промышленных, на которых предусмотрены боковые площадки с возможностью выхода на них из кабины машиниста). 4.По числу секций: односекционные; двухсекционные; многосекционные. Односекционные, как правило, имеют две кабины. 5.По типу тележек: двухосные; трехосные; четырехосные, состоящие из двух двухосных тележек, объединенных одной рамой. 6.По типу привода: с индивидуальным приводом, когда каждая колесная пара приводится в движение собственным электродвигателем; с групповым приводом, когда две или три колесные пары приводятся в движение одним электродвигателем или карданным приводом от гидромеханической коробки при гидравлической передаче. 7.По осевым формулам. По осевой формуле определяется количество секций локомотива, число и тип тележек, способ передачи тяговых и тормозных усилий, количество движущих и бегунковых колесных пар, наличие индивидуального или группового привода. Например: 2(2о–2о) или 2о−2о−2о−2о – локомотив восьмиосный с четырьмя несочленными двухосными тележками (знак «–»), колесные пары имеют индивидуальный привод (знак «о») – это осевая формула электровозов ВЛ80 всех серий и ВЛ10,11,12. У тепловоза ТЭМ 7, например, осевая формула 2о+2о−2о+2о – локомотив восьмиосный с двумя раздельными четырехосными тележками, состоящими из двух спаренных двухосных тележек. Для тепловоза 3ТЭ10М осевая формула 3(3о−3о) – локомотив трехсекционный, каждая секция имеет по две трехосные несочленные тележки. Для электровоза ВЛ15 и электровоза ВЛ85 – 2(2о−2о−2о) – локомотив двухсекционный, каждая секция имеет по три двухосные несочленные тележки, колесные пары имеют индивидуальный привод. Если тележки несочленены, то тяговые и тормозные усилия от колесных пар на состав передаются через рамы тележек на раму кузова и далее через автосцепки на вагоны. Если же тележки сочленены, то автосцепки расположены в концевых балках (брусьях) рам тележек и тяговые и тормозные усилия передаются через рамы тележек. Для нетележечных локомотивов в осевой формуле последовательно перечисляется число бегунковых и движущих колесных пар. Например, для паровоза 1−3−1 или для тепловоза ТГМ23 0−3−0 – нет бегунковых колесных пар, три ведущие колесные пары имеют групповой привод. Классификация вагонов. 1.По назначению: грузовые; пассажирские. К грузовым вагонам относятся крытые вагоны, полувагоны, платформы, цистерны, изотермические и вагоны специального назначения для перевозки определенных видов грузов (цементовозы, хоппер – дозаторы для щебня, транспортеры, специализированные цистерны, вагоны для технических нужд, перевозки скота, живой рыбы и другие). Парк пассажирских вагонов состоит из вагонов дальнего следования, межобластного и пригородного сообщения. 2.По условиям эксплуатации: магистральные; промышленного транспорта; городского транспорта. 3.По ширине колеи: широкой колеи шириной 1520 мм; узкой колеи шириной 750 мм или 900 мм или 1060 мм. 4.По числу осей: четырехосные; шестиосные; восьмиосные. Тема 4: Локомотивы. Общее устройство. Тепловоз или электровоз, или его секция, как и вагон, имеет раму, составляющую одно целое с кузовом. Кузов опирается на две трехосные или двухосные тележки, а иногда и на три двухосные тележки. В кузове размещается оборудование. На крыше локомотива размещается крышевое оборудование. Принцип работы тепловоза. В качестве силовой энергетической установки используются двигатели внутреннего сгорания – дизели (Дизель Рудольф – немецкий ученый – изобретатель). В дизеле в отличие от карбюраторных двигателей топливо в мелко распыленном виде воспламеняется не от искры электрической свечи, а от высокой температуры предварительно сжатого воздуха в цилиндре. Принцип работы четырехтактного дизеля. Рассмотрим процесс преобразования тепловой энергии, полученной от сгорания топлива в цилиндре дизеля, в механическую работу для вращения вала двигателя. При вращении коленчатого вала через кривошипно-шатунный механизм поршень в цилиндре будет совершать возвратно-поступательное движение.  Условные обозначения:1.Цилиндр дизеля. 2. Поршень. 3.Шатун. 4.Кривошип. 5.Коленчатый вал. 6.Впускной клапан. 7.Форсунка. 8.Выпускной клапан. Первый такт. При ходе поршня вниз открывается впускной клапан. Воздух от воздушного нагнетателя поступает в цилиндр дизеля. Второй такт наступает при смене направления движения поршня. Впускной клапан закрывается, поршень перемещается вверх и воздух в цилиндре сжимается. При подходе поршня к верхней точке температура воздуха из-за сжатия достигает 600 ÷ 650 оС. В конце сжатия воздуха через форсунку в мелко распыленном виде под давлением вспрыскивается дизельное топливо, которое воспламеняется. При сгорании топлива в течение короткого времени выделяется большое количество газов с высокой тепловой энергией. Газы давят на поршень и поршень перемещается вниз – это рабочий ход или третий такт. В конце рабочего хода открывается выпускной клапан и через него при перемещении поршня вверх газы выбрасываются в атмосферу – это четвертый такт. В верхнем положении поршня выпускной клапан закрывается, впускной открывается и цикл повторяется Принцип работы двухтактного дизеля. Первый такт. При ходе поршня вверх выпускные клапана закрываются, и в цилиндре поступивший воздух через впускные окна сжимается. При подходе поршня к верхней точке через форсунку впрыскивается дизельное топливо и воспламеняется. Образовавшиеся газы давят на поршень и перемещают его вниз – это рабочий ход или второй такт. При опускании поршень открывает впускные окна и в этот же момент открываются выпускные клапана. Поступающим воздухом происходит продувка и очистка цилиндра от отработанных газов. Затем поршень перемещается вверх, выпускные клапана закрываются и так далее. У  словные обозначения:1.Цилиндр дизеля. 2.Поршень. 3.Шатун. 4.Кривошип. 5.Коленчатый вал. 6.Впускные окна. 7.Форсунка. 8.Выпускные клапана. Перед подачей в цилиндр воздух сжимается в нагнетателе до 1,5  3,0 кГ/см2. Этот процесс называется наддув. В случае подачи воздуха в цилиндр под давлением поступает большее количество воздуха, и мощность дизеля увеличивается в 1,52,0 раза.На транспорте и в народном хозяйстве широко применяют четырехтактные и двухтактные дизели. Какой из них лучше? До сих пор спорят специалисты. В мировой практике 65 70 % четырехтактных дизелей, остальные двухтактные дизели. На современных тепловозах, в основном, применяются четырехтактные дизели.В дизеле несколько цилиндров (от 6 до 20). У коленчатого вала кривошипы или колена друг относительно друга смещены на угол 120 о. При таком расположении в одном цилиндре происходит первый такт, в другом – второй, в третьем – третий, в четвертом – четвертый. При соответствующем переключении впускных и выпускных клапанов происходит непрерывное вращение коленчатого вала. От коленчатого вала вращение передается на якорь генератора постоянного тока (или на ротор генератора переменного тока) на тепловозах с электрической передачей; или через гидромуфту, или гидротрансформатор на колесные пары на тепловозах с гидропередачей; или через муфту, зубчатую передачу на колесные пары на тепловозах с механической передачей. От другого конца коленчатого вала вращение передается на привод масляного насоса, вспомогательных агрегатов. Имеется редуктор для привода распределительного вала с кулачками для открытия впускных и выпускных клапанов, для впрыска топлива в форсунки в определенной последовательности по цилиндрам дизеля. Системы дизеля. 1.Топливная система: бак, емкостью 6000 ÷ 7000 литров; трубопроводы с фильтрами, топливоподкачивающие насосы, насосы высокого давления. 2.Система воздухоснабжения: для подачи воздуха в цилиндры, чтоб обеспечить более полное сгорание кислорода в воздухе; воздухозаборники, фильтры, нагреватели. 3.Водяная система: для охлаждения стенок цилиндров, нагреваемых при сгорании топлива; водяные полости вокруг цилиндров; радиаторы, охлаждаемые воздухом. 4.Масленая система: маслопроводы, маслопрокачивающие насосы, фильтры грубой и тонкой очистки. Для запуска дизеля подключается аккумуляторная батарея, включают маслопрокачивающий насос, топлиподкачивающий насос, подключают стартер-генератор к аккумуляторной батарее, который раскручивает коленчатый вал дизеля. После запуска дизеля стартер-генератор отключается от аккумуляторной батареи и к нему подключаются вспомогательные цепи. Так, например, происходит запуск дизеля на тепловозе 2ТЭ116. На других тепловозах могут быть и отличия. Способы передачи мощности от вала дизеля на колесные пары. 1.Механическая: коленчатый вал дизеля соединяется с колесными парами через муфты, зубчатые редукторы для регулирования скорости движения, карданные валы, осевые редукторы. Зубчатый редуктор должен быть многоступенчатым, называемый коробкой перемены передач. Переключением шестерен зубчатого редуктора регулируется скорость движения локомотива. Муфты сцепления фрикционные или магнитные. Передача простая, имеет высокий КПД. Но непригодна для передачи больших мощностей (более 500 700 кВт), так как коробку перемены передач необходимо выполнять большими габаритами и зубчатые колеса быстрее будут изнашиваться. Может применяться на некоторых дизельпоездах, мотовозах, автомотрисах, дрезинах.2.Гидравлическая: коленчатый вал дизеля соединяется с колесными парами через гидротрансформатор или гидромуфту, карданные валы, осевые редукторы. Вал дизеля соединяется с насосным колесом гидромуфты, расположенного в замкнутом корпусе, называемый колоколом. Рядом с насосным колесом в колоколе расположено турбинное колесо, закрепленное на валу, который может вращаться в подшипниках, закрепленных в колоколе. От вала вращение будет передаваться на карданные валы и далее через осевые редукторы к колесным парам. Насосное и турбинное колеса представляют собой чашеобразные диски с закрепленными в них радиальными лопатками. Если колокол не заполнен жидкостью, то при вращении насосного колеса турбинное колесо не будет вращаться. При заполнении колокола маслом вращающееся насосное колесо своими лопатками захватывает поток масла и отбрасывает его под действием центробежных сил на лопатки турбинного колеса, которое будет вращаться в том же направлении, что и насосное колесо. При гидравлической передаче на тепловозах использование простой гидромуфты не приемлемо, так как, например, при трогании с места сопротивление вращению турбинного, а значит и насосного колеса велико, дизель начнет перегружаться, частота вращения коленчатого вала будет уменьшаться, и дизель может заглохнуть. По мере увеличения скорости движения вращающийся момент турбинного и, значит, и насосного колеса будет падать, то есть, нагрузка дизеля уменьшится. В гидротрансформаторе между насосным и турбинным колесами размещен неподвижный ряд лопаток, соединенных с корпусом. Тогда поток масла, покидающий насосное колесо будет направляться на лопатки турбинного колеса под одним и тем же постоянным углом. Этот ряд неподвижных лопаток называется направляющим аппаратом. Он позволяет насосному колесу, а значит, и дизелю нагружаться одинаковым (постоянным) моментом независимо от внешней нагрузки. Благодаря направляющему аппарату турбинное колесо получает возможность вращаться с малой частотой, преодолевая большой момент сопротивления, а дизель при этом работает с постоянной нагрузкой. Как правило, в гидравлических передачах используются оба типа гидро аппарата расположенных в одном корпусе. При трогании с места и разгоне заполняют маслом гидротрансформатор, затем после достижения достаточной скорости гидротрансформатор опоражнивают и заполняют маслом гидромуфту. Гидравлические передачи по сравнению с электрическими передачами имеют меньшие габариты, меньшие вес, меньшая стоимость на единицу мощности и малый расход цветных металлов. Но КПД ниже примерно на 5 %, чем при электрической передаче. Гидравлические передачи применяют на маневровых, промышленных тепловозах и дизельпоездах. 3.Электрическая: коленчатый вал дизеля через муфту соединяется с якорем генератора, от которого получаемое электрическое напряжение подается на электродвигатели, якоря которых через зубчатые передачи передают вращение на колесные пары. Каждая колесная пара имеет индивидуальный электродвигатель. При электрической передаче обеспечивается плавное изменение вращающего момента на колесных парах при постоянстве момента на валу дизеля, причем, это обеспечивается автоматически. Электрическая передача позволяет управлять из одной кабины несколькими локомотивами, отключать и включать под нагрузку в нужный момент электродвигатели, реверсировать тепловоз без изменения направления вращения вала дизеля. Разновидности электрической передачи на тепловозах. 1.Постоянно–постоянного тока, когда генератор и электродвигатели постоянного тока. Передача постоянно–постоянного тока простая с высокий КПД. 2.Переменно–постоянного тока, когда генератор переменного тока, а электродвигатели постоянного тока. При этой передаче необходима выпрямительная установка. Передача переменно-постоянного тока применяется на тепловозах мощностью более 3000 кВт. При такой большой мощности генераторы постоянного тока имели бы большие габариты и увеличилось бы искрение под щетками на коллекторах. 3.Переменно–переменного тока, когда генератор и электродвигатели переменного тока. Электрические машины переменного тока проще по конструкции, более надежные в эксплуатации, проще в ремонте. Регулирование скорости движения выполняется изменением частоты переменного тока, поэтому необходимы специальные преобразователи частоты. Передача переменно-переменного тока применяется на некоторых опытных тепловозах. Принцип работы электровоза. Электровозы подразделяются на электровозы постоянного тока, электровозы переменного тока, электровозы двойного питания. На крыше электровоза установлен токоприемник, который соединяет электрическую цепь электровоза с контактным проводом и выполняет роль скользящего контакта. На электровозе переменного тока токоприемник соединяется с главным выключателем, установленного на крыше. Главный выключатель является основным аппаратом защиты, который обеспечивает оперативное отключение и отключение при различных аварийных ситуациях цепи электровоза от контактного провода. Затем напряжение поступает на понижающий трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора разделена на секции, при переключении которых меняется величина напряжения, подаваемого на электродвигатели с целью регулирования скорости движения. Пока, в основном, на электровозах устанавливаются электродвигатели постоянного тока, поэтому, для преобразования переменного тока в постоянный по направлению устанавливаются выпрямительные установки, а для преобразования полученного пульсирующего тока в постоянный по величине на электровозе устанавливаются сглаживающие реакторы. На электровозе постоянного тока или электровозе двойного питания токоприемник соединяется с быстродействующим выключателем, устанавливаемого в кузове электровоза и выполняющего роль основного аппарата защиты. На электровозе постоянного тока напряжение подается на тяговые электродвигатели через пусковой реостат, имеющий несколько выводов. Скорость движения регулируется изменением схемы соединения тяговых электродвигателей и изменением величины сопротивления пускового реостата. Длительная езда допускается при выведенном пусковом реостате. На электровозе двойного питания при въезде на систему электроснабжения переменного тока производят переключение. Между быстродействующим выключателем и пусковым реостатом включается трансформатор, понижающий напряжение до 3000 В. При подаче электрического напряжения на тяговый электродвигатель его якорь начинает вращаться, передавая вращение через зубчатую передачу на колесную пару. Отечественные электровозы имеют индивидуальный привод, то есть, на каждую колесную пару устанавливается электродвигатель. Общее устройство электродвигателя постоянного тока и принцип его работы. Электродвигатели постоянного тока на отечественном электроподвижном составе и на тепловозах с электрической передачей используются в качестве тяговых электродвигателей. Тяговые электродвигатели служат для получения вращающихся моментов, которые через зубчатые передачи передаются на колесные пары и в результате сцепления колес с рельсами образуется сила тяги. Электродвигатели постоянного тока легко берут с места под нагрузкой и имеют простой способ регулирования частоты вращения якоря, поэтому их используют в качестве тяговых электродвигателей. Неподвижная часть электродвигателя называется остов, который служит для механического соединения всех деталей двигателя и выполняет роль магнитопровода, то есть по нему замыкается магнитный поток. Остов выполняется из электротехнической стали. Снаружи остов может иметь цилиндрическую форму или форму шестигранника или восьмигранника. Внутренняя поверхность остова цилиндрическая, к которой крепятся главные полюса для получения магнитного поля. Может быть 2, 4 или 6 главных полюсов. Главный полюс состоит из сердечника и катушки. Сердечник шихтованный, набирается из штампованных листов электрической стали. Катушки всех полюсов соединяются последовательно и образуют обмотку возбуждения. Подвижная вращающаяся часть электродвигателя называется якорем, который расположен между полюсами и имеет цилиндрическую форму. Концы вала якоря расположены в подшипниках, закрепленных в подшипниковых щитах, которые крепятся к остову. Якорь имеет сердечник шихтованный, набирается из штампованных листов электрической стали, в пазы которого укладывается обмотка якоря. Выводы от проводников обмотки якоря соединяются с коллектором, состоящим из медных пластин. К коллектору прижимаются электрографитированные щетки, через которые и через коллектор подается напряжение на обмотку якоря.  Электродвигатель имеет четыре вывода – два от обмотки якоря и два от обмотки возбуждения. При изменении направления тока только в одной из обмоток (в основном, в обмотке возбуждения) изменяется направление вращения якоря, а значит, и направление движения локомотива, называемое реверсированием. Принцип работы двигателя постоянного тока основан на выталкивании проводника с током из магнитного поля: Если по проводнику пропускать электрический ток, то вокруг проводника образуется круговое магнитное поле, направление которого определяется по правилу буравчика. Если этот проводник поместить в магнитное поле полюсов, то в результате взаимодействия магнитного поля проводника с током с магнитным полем полюсов с одной стороны от проводника магнитное поле усиливается, а с другой – ослабевает. Магнитное поле обладает свойством упругости. На проводник будет действовать выталкивающая электромагнитная сила, стремящаяся вытолкнуть проводник с током из магнитного поля полюсов. Е   сли в магнитное поле полюсов поместить виток с током, то он повернется под действием пары сил F до горизонтального положения в данном случае. А чтобы получить вращение, то необходимо иметь несколько витков. Электродвигатель постоянного тока обладает свойством обратимости: при подаче электрического напряжения на обмотки работает как электродвигатель; при вращении якоря какой-либо внешней силой или по инерции работает как генератор и в обмотке якоря будет появляться ЭДС. Сущность электрического торможения. При электрическом торможении тяговые электродвигатели переводят в генераторный режим. Их якоря получают вращение через зубчатую передачу от вращения колесных пар за счет запасенной кинетической энергии поезда или при движении поезда под уклон. На проводники обмотки якоря каждого электродвигателя будет действовать выталкивающая сила, направленная против вращения якоря, затормаживающая вращение якоря, а через зубчатую передачу затормаживающая вращение колесной пары. В случае подключения к обмотке якоря резистора электроэнергия, вырабатываемая электродвигателем, будет гаситься на резисторе – выделяется в виде тепла. За счет изменения величины сопротивления резистора можно регулировать величину тормозной силы. Такой способ электрического торможения называется реостатным. В случае передачи электроэнергии от электродвигателя в контактную сеть электрическое торможение называется рекуперативным. Рекуперативное торможение возможно в случае превышения напряжения контактной сети вырабатываемой электродвигателем ЭДС. Это невозможно при последовательном возбуждении тяговых двигателей, которые используются в режиме тяги. В этом случае при переходе в режим рекуперативного торможения тяговые двигатели переключают на независимое возбуждение. На электровозах переменного тока с тяговыми двигателями постоянного тока применение рекуперативного торможения затруднено, так как тяговые двигатели вырабатывают постоянное напряжение, которое при передаче в контактную сеть необходимо преобразовать (инвертировать) в переменное напряжение. Это стало возможным с применением управляемых вентилей – тиристоров, которые при рекуперативном торможении переключаются с частотой переменного тока. На электровозах переменного тока сейчас устанавливают выпрямительные установки, собираемые на тиристорах. В режиме тяги установка исполняет роль выпрямителя, а в режиме рекуперативного торможения – роль инвертора. Преимущества электрического торможения: экономия тормозных колодок, простота управления на спусках, а при рекуперативном торможении и экономия электроэнергии. На некоторых тепловозах применяется реостатное торможение. |