Тепловозом називається локомотив, у якого в якості первинної енергетичної установки застосований двигун внутрішнього згоряння - дизель.
На відміну від звичайних карбюраторних двигунів внутрішнього згоряння займання палива в дизелі відбувається не від електричної іскри, а воно самозаймається в нагрітому до високої температури повітря при його стисненні. Згоряння палива в циліндрах дизеля обумовлено наявністю кисню, що міститься в повітрі, що надходить в циліндри дизеля. Щоб отримати якомога більшу потужність в циліндрах дизеля, не вдаючись до збільшення їх обсягу, повітря в циліндри нагнітають під тиском вище атмосферного, т. Е. Здійснюють наддув за допомогою механічних або турбінних нагнітачів. Перетворення отриманої в циліндрах дизеля теплової енергії в механічну здійснюється за допомогою шатунно-кривошипного механізму, що складається з поршня, шатуна і коліна (кривошипа) колінчастого вала.
Щоб дизель міг нормально працювати, на тепловозі передбачені обслуговуючі його системи: паливна, повітропостачання, водяна і масляна. Паливна система має бак, трубопроводи з фільтрами грубої і тонкої очистки, топливоподкачивающий насос, насоси високого тиску і топлівовприсківающіе форсунки. Система подачі повітря складається з повітрозабірних фільтрів, охолоджувачів повітря, газотурбінних або механічних нагнітачів, що забезпечують подачу очищеного повітря під підвищеним тиском в повітряні колектори і далі в циліндри дизеля. Водяна система служить для охолодження стінок циліндрів, що нагріваються теплом, що виділяється при згорянні палива. Щоб успішно відводити тепло від стінок циліндрів дизеля, на тепловозі передбачено охолоджувальний пристрій. Водяні порожнини між циліндрами і сорочками з'єднані трубопроводами з трубчастими радіаторами. Для забезпечення циркуляції води в системі встановлені водяні насоси. Що проходить по трубках радіаторів вода охолоджується повітрям, що подається через секції радіаторів спеціальними вентиляторами. Регулюючи подачу повітря через секції радіаторів, підтримують температуру охолоджуючої рідини на певному рівні. Масляна система служить для змащування тертьових деталей дизеля. Так як масло одночасно охолоджує такі вузли, як поршні, що працюють при високих темпера- турах, то його необхідно охолоджувати. Для цього в масляній системі передбачені насоси, що забезпечують циркуляцію масла між дизелем і холодильним пристроєм. В якості охолоджувального пристрою використовуються або масловоздушние радіатори, або водомасляні теплообмінники. У систему включені також маслопрокачівающіе насоси, фільтри грубого і тонкого очищення масла.
Для отримання стисненого повітря, необхідного для харчування гальмівної системи, а також для електропневматичної системи управління механізмами і апаратами, на тепловозі встановлений компресор. Привід компресора та інших допоміжних машин здійснюється від вала дизеля через роздатковий редуктор. На деяких тепловозах для приводу компресора (і інших машин) використовують електродвигуни.
На тепловозі є акумуляторна батарея, запас електричної енергії якої використовується для пуску дизеля (розкрутки колінчастого вала), а також для живлення ланцюгів управління і освітлення тепловоза. При працюючому дизелі ці функції (крім пуску) виконує допоміжний електричний генератор. Він також служить для заряду акумуляторної батареї.
Дизель стійко може працювати при частоті обертання колінчастого вала не нижче певної межі - (0, 3 = 0, 4) nном •
Весь діапазон частоти обертання (від мінімальної до номінальної, т, е. Максимальної) розбитий на градації (позиції). З набором черговий позиції контролера машиніста збільшується подача палива в циліндри дизеля, відповідно до цього, зростають частота обертання колінчастого вала n і потужність дизеля Ре (Рис.4.8.).
Мал. 4.8. Зовнішні характеристики двигуна.
Роботу дизеля на нульовій позиції називають режимом холостого ходу, на останній - номінальним режимом, а на проміжних позиціях - частковими режимами.
При роботі на певній позиції потужність дизеля залишається постійною, практично незмінним залишається і крутний момент на колінчастому валу. У той же час для обертання колісних пар необхідно змінювати крутний момент в залежності від умов руху. Наприклад, при рушанні з місця важкого складу для реалізації великої сили тяги необхідно до колісних пар прикласти крутний момент, значно (в 4-5 разів) більший, ніж момент на колінчастому валу дизеля. І, навпаки, в процесі руху поїзда для підтримки необхідної робочої швидкості не потрібно великого крутного моменту і він може виявитися меншим, ніж, момент на валу дизеля. В силу цих обставин безпосередньо передавати крутний момент від дизеля колісним парам не представляється можливим. Для того щоб пристосувати дизель для умов тяги, на тепловозі передбачають спеціальний пристрій - передачу. Вона повинна забезпечувати автоматичне регулювання тягового моменту (сили тяги) відповідно до швидкості і профілем колії при найбільш повному використанні потужності дизеля. Відомо, що потужність, що реалізується на тягу (дотична потужність Рк). дорівнює добутку сили тяги тепловоза на швидкість руху. Так як у тепловоза потужність силової установки при певній позиції контролера постійна, то твір сили тяги Fк на швидкість V буде також постійним Fк * V = Р = const. Зі співвідношення випливає, що при зміні швидкості відповідним чином буде змінюватися сила тяги, і якщо побудувати залежності сили тяги від швидкості (тягову характеристику), вона буде мати вигляд гіперболи (рис 4.9). Зрозуміло, що виконання умови Fк * V = = Рк = const може бути забезпечено тільки в певному інтервалі (від точки Б до точки В). Максимальне значення сили тяги обмежується силою зчеплення колісних пар з рейками (А-Б), а максимальне значення швидкості - умовами безпеки. Таким чином, в умовах, коли дизель має постійну частоту обертання і незмінюється крутний момент, а колісні пари частоту обертання від нуля до певного максимального значення, від передачі потрібно безперервне плавне зміна передавального відношення, і це зміна має відбуватися автоматично відповідно до необхідної силою тяги тепловоза.
Рис.4.9 Тягова характеристика тепловоза
Крім цього, передача повинна забезпечувати можливість від'єднання дизеля від тягового навантаження (від колісних пар) і реверсування руху тепловоза. На тепловозах застосовуються тільки два типи передач-гидромеханическая і електрична. Механічна передача на тепловозах поширення не отримала через неможливість створити багатоступеневу коробку передач невеликих розмірів для тепловоза великої потужності. Вона застосовується тільки на мотовозами і автодрезини.
Гідромеханічна передача застосовується на деяких маневрових тепловозах і дизель - поїздах потужністю до 9000 к8т. Передача потужності здійснюється за допомогою гідравлічних апаратів (гідромуфт та гідротрансформаторів) і механічних ланок (зубчастих редукторів і карданних валів). Гидропередача компактна, має порівняно малу масу, низьку витрату кольорових металів, але ККД її невеликий (близько 75%).
Електрична передача набула найбільшого поширення. Вона складається з тягового генератора з збудником, тягових електродвигунів і зубчастих редукторів. Вал генератора приєднаний до колінчастого валу дизеля. 8 ньому механічна енергія дизеля перетворюється в електричну. Тягові електродвигуни розміщені в візках безпосередньо біля колісних пар. Підведений по кабелях електричний струм від генератора обертає вали електродвигунів-електрична енергія перетворюється знову в механічну. Вали двигунів і осі колісних пар пов'язані між собою зубчастими передачами. Таким чином, крутний момент від двигунів передається колісним парам. Так як колісні пари притиснуті до рейок масою тепловоза, то між ними і рейками виникає зчеплення, завдяки якому колісні пари перекочуються уздовж рейок, переміщаючи за собою візки, а ті в свою чергу - кузов тепловоза. Розміщена в рамі кузова автозчеплення передає тягове зусилля на склад.
Якщо переданий на колісну пару тяговий момент перевищить момент від сили зчеплення колісної пари з рейками, станеться вибух зчеплення, т. Е. Почне буксування. Тому основний закон локомотивної тяги говорить: сила тяги не може перевищувати силу зчеплення коліс з рейками. Регулювання тягового моменту (сили тяги) здійснюється електричними машинами. Відомо, що обертає момент на валу електродвигуна залежить від розмірів двигуна, що враховуються постійної С, сили струму в обмотках якоря I я і магнітного потоку Ф, створюваного обмотками збудження на полюсах двигуна:
Рухаючись на колісну пару момент двигуна, збільшений в i разів (передавальне число редуктора), спрямований на освіту сили тяги. Таким чином, тяговий момент і сила тяги залежать від струму, що протікає по двигуну, т. Е. Щоб отримати більшу силу тяги, потрібно по двигуну пропускати великий сили струм. Відомо, що потужність електричної машини дорівнює добутку сили струму на напругу (1 * U), і якщо потужність її постійна (а вона постійна), то при збільшенні значення одного множника інший повинен зменшуватися. Так воно і виходить.
Мал. 4.10. Схема передачі потужності від дизеля колісним парам при електричної передачі: 1 дизель; 2 сполучна муфта, 3 тяговий електричний генератор; 4 збудник генератора; 5 рама візка;
б-пружинна підвіска двигуна на рамі візка; 7- тяговий електродвигун; 8-шестерня; 9-зубчасте колесо; 10 - колісна пара; КВ - контактор збудження ;. ПК-поїзної контактор.
При рушанні з місця, коли потрібна велика сила тяги, на двигуни подається великий струм, а напруга мало. Зі збільшенням швидкості тепловоза зростає частота обертання колісних пар і пов'язаних з ними зубчастої передачею яко рей тягових двигунів. З ростом частоти обертання якорів двигунів зростає на їх затискачах напругу. В силу сталості твори сили струму на напругу сила струму відповідно зменшуватиметься. У разі вступу поїзда на підйом через збільшення опору руху швидкість поїзда зменшується, відповідно зменшується і напруга на затискачах двигуна, а сила струму зростає, що призведе до збільшення сили тяги. Таким чином, завдяки електричним машинам з послідовним збудженням здійснюється автоматичне регулювання сили тяги локомотива.
Тягові електродвигуни локомотивів колекторні постійного струму. Підведення електричного струму до них здійснюється через щітково-колекторний вузол. При існуючій системі підвішування електродвигунів - опорно-осьовий, коли двигуни однією стороною спираються на вісь через моторно-осьові підшипники, а інший на раму візка через пружинну опору, двигун виявляється незахищеним від ударів на стиках рейок і інших нерівностях.
Удари і вібрації в системі: рельс-колесо-електродвигун шкідливо відбивається на роботі колекторно-щіткового вузла, а так само на вузлах кріплення підвідних кабелів з висновками котушок збудження головних і додаткових полюсів. Надійність роботи в тягових електродвигунів в цьому випадку різко знижується. Вона в десяток разів нижче ніж у двигунів, що мають опорно-рамну підвіску (у пасажирських локомотивів).
З точки зору підвищення надійності тягових електродвигунів особливої актуальності набуває застосування на локомотивах передачі змінно-змінного струму з безколекторними двигунами. Але їх застосування поки стримується через труднощі в забезпеченні регулювання частоти обертання. Вітчизняна електронна промисловість поки не в змозі поставляти транспорту необхідну електронну техніку високої якості і надійності.
Мал. 4.11. Пристрій тепловоза 2ТЕ25К: 1 установка апаратів системи КЛУБ і радіостанції; 2 резервуари зрівняльні; 3 антена метрового і гектометрові діапазонів; 4 гальмо електричний обдувається; 5 мотор-вентилятор охолодження керованого випрямного модуля; 6 мотор-вентилятор охолодження ТЕД передньої візки; 7, 43 - мультициклонний блок очищення повітря; 8- мотор-вентилятор охолоджування тягового агрегату; 9, 12 - мотор-вентилятор відсмоктування пилу; 10 - мотор-вентилятор витяжний; 11- глушник на вихлопі; 13-очисник повітря дизеля (два); 14 - умивальник з підігрівом води; 15- мотор-вентилятор холодильної камери (два); 16- перетворювачі допоміжних потреб (чотири) з плавним регулюванням; 17 - перехід міжсекційних; 18 - резервуар повітряний головний 250 л (чотири); 19. 48 - настил підлоги; 20 - бак паливний (ємність 7000 кг) 21 - батарея акумуляторна; 22 - агрегат тяговий; 23, 24 - резервуар повітряний додатковий; 25- гребнесмазиватель; 26- пристрій забезпечення мікроклімату кабіни; 27- холодильник їжі; 28- пристрій аварійне; 29- уніфікований комплекс гальмівний обладнання; 30 -випрямітель двоканальний для регулювання струму збудження тягового і допоміжного генераторів; 31-бункери пісочниць передніх; 32 - дизель типу Д49; 33 - екологічно чистий туалет; 34 - насос масляний; 35 - електронасос (два); 36 - термоізольовані баки зливу води радіаторів; 37 - модуль компресорної установки; 38- бункери пісочниць задніх; 39- система газового пожежогасіння; 40 осушувач стисненого повітря; 41- вентилятор відсмоктування пилу; 42-мотор вентилятор ТЕД заднього візка; 44 - топлівоподогреватель; 45 - агрегат топливоподкачивающий; 46-насосмаслопрокачівающій; 47-фільтртоплівний; 49-стартер-генератор 6СГ; 50 шестиканальний силовий випрямний З модуль; 51 - камери апаратні; 52 - шафа для одягу; 53 - пристрій обробки інформації; 54 - вогнегасник; 55 - привід ручного гальма; 55 - електроплитка; 57 - крісло машиніста-інструктора; 58 - пульт управління.