Тепловоз - автономный локомотив, на котором в качестве силовой энергетической установки используется тепловой поршневой двигатель внутреннего сгорания - дизельный двигатель, величина эффективного кпд которого достигает 40-45%.

- Главная

Краткие сведения о развитии отечественного тепловозостроения.

Идея применения для тяги поездов двигателя внутреннего сгорания, работающего на жидком топливе и обладающего более высоким к.п.д. по сравнению с паровой машиной, возникла у российских инженеров еще в конце XIX в. Так, в 1894 г. по идее профессора В. Л. Кирпичева разрабатывался проект локомотива, который назывался нефтевозом, поскольку должен был иметь нефтяные двигатели, т. е. двигатели, работающие на нефти. Зажигание (воспламенение) топлива в таких двигателях осуществлялось с помощью калоризатора (калильной головки), а сами двигатели имели относительно низкую степень сжатия. На нефтевозе, помимо цилиндров двигателей внутреннего сгорания, предполагалось установить цилиндры, работающие на паре. С помощью последних намечалось осуществлять трогание и первоначальный разгон нефтевоза, после чего переходить на совместную работу этих цилиндров с цилиндрами двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, локомотив профессора Кирпичева был как бы прообразом теплопаровоза.

Основные параметры советских тепловозов с электрической передачей

Тепловозы серии:

В 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель изобрел более совершенный по сравнению с нефтяным двигатель внутреннего сгорания, работавший также на тяжелых видах жидкого топлива и имевший высокую степень сжатия, которая обеспечивала самовоспламенение впрыскиваемого в цилиндры топлива. Этот двигатель получил наименование двигатель Дизеля или просто дизель. Благодаря высокой экономичности дизели сразу же начали широко использоваться в промышленности, а затем и на судах. Сложнее обстояло дело с применением их на локомотивах.

По условиям работы локомотива требуется регулирование в широких пределах силы тяги и скорости. В паровой машин е это легко достигается путем изменения отсечки, т. е. среднего индикаторного давления. У паровоза можно получить среднее индикаторное давление в цилиндрах, почти равное давлению в котле, т. е. добиться того, что пар станет работать без расширения. Это неэкономично, но не приводит ни к каким вредным последствиям для машины. Иначе обстоит дело с двигателем внутреннего сгорания, у которого среднее индикаторное давление в цилиндрах при определенном давлении в начале сжатия может колебаться в сравнительно небольших пределах. Кроме того, обычный двигатель внутреннего сгорания нормально функционирует только в ограниченном диапазоне частот вращения вала и, в частности, не может работать на малых частотах. Для пуска дизеля требуется посторонний .источник энергии в виде сжатого воздуха или аккумуляторной батареи. Таким образом, использование обычного стационарного дизеля на локомотиве невозможно без дополнительных устройств. Такими устройствами могут служить промежуточные передачи между валом дизеля и колесными парами — механическая, гидромеханическая или электрическая.

При отказе от дизелей стационарного типа с передачей требовалось создание специальных локомотивных двигателей внутреннего сгорания. С 1905 г. над созданием дизеля специально для локомотивов работал профессор Императорского технического училища (с 1917 г. Московское высшее техническое училище) В. И. Гриневецкий.

Цикл в данном двигателе осуществлялся не в одном, а в трех цилиндрах: А — воздушном, В — сожигательном, С — расширительном (рис. 9.1). В первом из них происходило предварительное сжатие рабочего воздуха; во втором — последующее сжатие, горение и расширение, которое продолжалось затем в третьем цилиндре, откуда продукты горения выталкивались в атмосферу. Все три цилиндра работали как двухтактные машины двойного действия. Благодаря принятой схеме расположения цилиндров двигатель имел два преимущества: относительную простоту конструкции и приспособленность для тяги поездов. Первое преимущество было обусловлено тем, что охлаждаемый поршень сожигательного цилиндра В служил одновременно выпускным золотником для расширительного цилиндра С. Это позволило В. И. Гриневецкому избежать постановки выпускных клапанов цилиндра низкого давления. Второе преимущество объяснялось тем, что пальцы шатунов цилиндров А и С располагались, как у паровозов, почти под прямым углом, что значительно улучшало условия разгона и торможения, совершаемых при помощи сжатого воздуха. Кроме того, перемена направления движения достигалась простым обращением цилиндра А в расширительный, а цилиндра С — в воздушный.

Двигатель В. И. Гриневецкого был построен в 1909 г. на Путиловском заводе. Опыты с ним продолжались до 1912г., но не были закончены из-за недостатка средств. Во время опытов выяснилось, что процесс горения в цилиндре происходил нормально при частоте вращения вала 2 об/с и выше; при меньших частотах для работы двигателя необходимо было подавать в цилиндр сжатый воздух, что требовало пусковых резервуаров больших размеров.

Не ожидая окончания опытов над двигателем, В. И. Гриневецкий разработал при участии своего ученика Б. М. Ошуркова проекты двух тепловозов: пассажирского (рис. 9.2), эквивалентного паровозу типа 2-3-0 серии Ку, и товарного, эквивалентного паровозу типа 0-5-0 серии Э. И тот, и другой тепловозы должны были иметь два двигателя Гриневецкого Д, главными валами которых, как и у паровоза, являлись оси колесных пар. Среднюю часть тепловоза должен был занимать пусковой воздушный резервуар В, под которым намечалось поместить вспомогательный дизель-компрессор К. По краям тепловоза предполагалось расположить подогреватели воздуха П и баки с топливом Т.

Оба тепловоза Гриневецкого — Ошуркова были спроектированы с непосредственной передачей энергии от двигателей на колесные пары и потому при нормальной работе должны были бы иметь почти постоянную силу тяги на ободе колес: пассажирский — около 4000, товарный — около 7000 кгс. Для регулировки силы тяги предусматривалась перегрузка двигателя на 75 % за счет изменения среднего индикаторного давления.

Смерть В. И. Гриневецкого прервала работу над тепловозами его системы, и они не были построены.

В 1913 г. студент Императорского технического училища А. Н. Шелест в своей дипломной работе, выполненной под руководством профессора В. И. Гриневецкого, разработал проект компрессорного тепловоза (рис. 9.3). Передача энергии на этом тепловозе должна была осуществляться при помощи газа, производимого двигателем внутреннего сгорания. Указанный способ был запатентован автором проекта. На тепловозе предполагалось установить два двигателя: первичный — генератор газов, подающий вырабатываемый газ высокого давления в специальный резервуар, и вторичный, работающий на этом газе по принципу обычной паровозной поршневой машины. Между этими двумя двигателями не предусматривалось никакой кинематической связи.

Частота вращения вала первичного двигателя обусловливается при данной схеме потребным расходом газа; мощность тепловоза может оставаться постоянной при различных скоростях движения, поскольку изменяется лишь в зависимости от частоты вращения вала первичного двигателя, т. е. от количества сжигаемого топлива. Частота вращения вала вторичного двигателя, непосредственно связанного с движущими колесами, определяется скоростью движения, а его мощность и сила тяги, как и у паровоза, — давлением газа и наполнением цилиндров, причем сил а тяги может возрастать при уменьшении скорости. От тепловоза такой системы можно было ожидать такой же тяговой характеристики, как и у обычного паровоза.

Уже работая преподавателем в Московском высшем техническом училище, А.Н. Шелест разработал проект тепловоза с газовой турбиной (рис. 9.4).

Газовая турбина Г приводит в действие компрессор К, нагнетающий воздух в камеру В, где сгорает нефть. Из камеры В продукты горения переходят в камеру М, в которой смешиваются с паром, образующимся в результате подачи в камеру воды. Из камеры М смесь поступает в газовую турбину, вращающую компрессор. Отработав в турбине, смесь газов и пара направляется в расходный резервуар Р, а из него в цилиндры паровозного типа.

Расходный резервуар был предусмотрен на случай "займов", как у паровозного котла.

Для проверки возможности реализации предложенного А. Н. Шелестом теплового процесса в 1922 г. на заводе Армстронг - Витворт в городе Ньюкасл-апон-Тайн (Англия) был спроектирован и построен экспериментальный агрегат, который поступил в лабораторию Московского высшего технического училища. В результате длительного изучения работы этого агрегата было установлено, что от предложенного профессором А. Н. Шелестом тепловоза можно ожидать достаточно высокого коэффициента полезного действия (25 — 26 %).

В 1909 г. разработкой проекта тепловоза начали заниматься инженеры службы тяги Ташкентской железной дороги Ю. В. Ломоносов, А. И. Липец и техник Тутышкин.

В 1913 г. А. И. Липец уже в Оренбурге закончил проект тепловоза (рис. 9.5) с непосредственной передачей и холодильником, выполненным по принципу градирни. Мощность этого тепловоза соответствовала мощности паровоза серии Щ; при скорости 10 — 12 км/ч он должен был развивать силу тяги на ободе колес 12 000 кгс. Для тепловоза А. И. Липец разработал фрикционную передачу со скольжением — "пневматическую сцепку", которая была впоследствии построена Оренбургскими мастерскими и установлена на одном из паровозов типа 0-3-0. Передача работала удовлетворительно, но пневматические устройства вследствие грубого изготовления доставляли много неудобств при эксплуатации.

Кредиты на постройку двух таких тепловозов удалось получить в 1914 г., но начавшаяся война отвлекла внимание Министерства путей сообщения и авторов проекта от этой идеи.

В 1915 г. появился проект тепловоза с зубчатой передачей, разработанный инженером Е. Е. Лонткевичем. В этом проекте (рис. 9.6) впервые предусматривалась постановка на тепловозе горизонтального двухвального двухтактного двигателя Юнкерса с передачей мощности на движущие оси через трехступенчатую коробку скоростей.

Данный проект не был осуществлен, но многие его элементы были использованы в более поздних проектах тепловозов.

Если профессор В. И. Гриневецкий и его последователи искали пути создания специального тягового двигателя внутреннего сгорания, то ряд других инженеров стремился сохранить на локомотиве обычный дизель стационарного типа, осуществив передачу энергии от него к движущим колесам при помощи электрических машин. К ранним проектам тепловозов с электрической передачей, или, как их называли тогда, автономных электровозов, относится проект, разработанный в начале 90-х годов XIX в. инженером Н. Г. Кузнецовым и полковником А. И. Одинцовым. По мысли авторов, на тепловозе должны были быть установлены два вертикальных дизеля судового типа мощностью по 180 л. с. Дизели предполагалось соединить с генераторами трехфазного тока, питающими электроэнергией четыре тяговых электродвигателя, приводящих в движение колесные пары, В 1905 г. эти же авторы работали над проектом тепловоза с электрической передачей, который должен был иметь два дизеля общей мощностью 1000 л. с.

В 1909 — 1913 гг. на Коломенском машиностроительном заводе под руководством инженера Ф. X, Мейнеке разрабатывались проекты тепловозов:

мощностью 40 л. с. с тремя движущими колесными парами и чисто компрессорной (газовой) передачей;

мощностью 300 л. с. с тремя движущими колесными парами и механической передачей;

мощностью 1600 л. с, массой 116т с осевой формулой 1-2-1 — 1-2-1 и электрической передачей.

После Октябрьской революции большое внимание тепловозам уделял В. И, Ленин. По его указанию вопрос о тепловозах был рассмотрен Советом Труда и Обороны под председательством А. Д. Цюрупы. В своем постановлении от 4 января 1922 г. Совет отметил, что тепловозная тяга на железных дорогах имеет особо важное значение, и дал указание Госплану в короткий срок разработать условия и порядок передачи на заводы имевшихся проектов тепловозов для детальной разработки. Одновременно Совет Труда и Обороны объявил конкурс на выработку наилучшей конструкции тепловоза.

Уже 27 января 1922 г. В. И. Ленин направил телефонограмму Ю. В. Ломоносову следующего содержания:

"Товарищу Ломоносову.

Копии: Госплан, Транспортная секция профессору Рамзину НКПС, товарищу Фомину.

Прошу сговориться с Госпланом, НКПС и Теплотехническим институтом об условиях на конкурс тепловозов, считаясь с Постановлением СТО от 4/1 —- 22 г. Крайне желательно не упустить время для использования сумм, могущих оказаться свободными по ходу исполнения заказов на паровозы, дня получения гораздо более целесообразных для нас тепловозов. Прошу неотлагательно сообщить мне лично результаты последовавшего между Вами соглашения. 27/I — 22 г. Ленин".

В результате дальнейших обсуждений и согласований было решено построить три тепловоза за границей и один тепловоз системы профессора Я. М. Гаккеля на заводах России.

Конкурс на тепловозы должен был открыться 1 марта 1924 г. на путях Петроградского железнодорожного узла. Представленные тепловозы должны были удовлетворять следующим условиям:

1. При трогании с места и при скоростях до 15 км/ч развивать силу тяги на крюке не менее 12 000 кгс на прямом подъеме в 9%» при скорости 50 км/ч — не менее 3000 кгс на прямом горизонтальном участке пути.

2. Конструкционная скорость не менее 75 км/ч.

3. Нагрузка на рельсы от каждой пары движущих колес не должна превышать 16 тс, бегунковых — 12 тс.

4. Запасы топлива, масла и воды должны пополняться после пробега не менее чем 1500 км.

5. Приспособленность для работы при температурах от - 30 до +40 °С,

Во второй половине 1924 г. был построен только один тепловоз, удовлетворявший условиям конкурса — тепловоз с электрической передачей системы профессора Я. М. Гаккеля.

Принятые после окончания Отечественной войны системы учета тепловозов Центральным статистическим управлением (ЦСУ) при Совете Министров СССР и Министерством путей сообщения различаются между собой: ЦСУ обычно приводило данные о выпуске тепловозов в секциях и включало в их число даже секции без кабин управления, а МПС считал тепловозы, состоящие из двух и более секций, за одну тяговую единицу (один локомотив).

Применение дизельного двигателя вместо паросиловой энергетической установки паровоза обеспечивает высокий уровень кпд тепловоза 26-31%, превышающий кпд паровоза в 4-5 раз. Название «тепловоз» сложилось в России по типу названия паровоза. За рубежом тепловоз называют «дизельным локомотивом». К тепловозам, как к типу локомотивов, относят также такие специализированные виды автономного пассажирского моторвагонного подвижного состава, энергетическими установками которых служат двигатели внутреннего сгорания, как дизель-поезда, состоящие из моторных и прицепных вагонов, и автомотрисы - рельсовые автобусы.

Энергетическая цепь (последовательность этапов преобразования энергии) автономного локомотива состоит обычно из трех последовательных звеньев: теплового генератора, который преобразует химическую энергию топлива в тепловую энергию теплоносителя; теплового двигателя, преобразующего тепловую энергию теплоносителя в механическую работу вращения своего вала, и передаточного механизма (передачи), расположенного между выходным валом теплового двигателя и ведущими колесными парами и необходимого для преобразования момента и скорости вращения вала двигателя, передаваемых на колеса, в соответствии с требованиями тяги.

С точки зрения преобразования энергии энергетическая установка тепловоза (рис. 5.10) имеет одно звено - тепловозный дизель Д,  который совмещает функции теплового генератора и теплового двигателя. В цилиндре дизеля химическая энергия топлива Т в результате его горения (реакции окисления — соединения с кислородом атмосферного воздуха АВ) преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания (газов), которая при помощи поршня и кривошипно-шатунного механизма преобразуется в механическую работу вращения вала двигателя. В схему входит и передача П, согласующая режимы работы дизеля и движения локомотива. Она преобразует вращающий момент на валу дизеля Д, который по условию постоянства мощности дизеля должен быть неизменным при постоянной частоте вращения вала, в переменный момент на ведущих колесах К, величина которого по тому же условию постоянства мощности локомотива обратно пропорциональна скорости движения. Передача является обязательной частью конструкции тепловоза, но с преобразованиями энергии в ней связаны потери. Передачи тепловозов бывают механические, электрические, гидравлические. На поездных тепловозах наиболее распространена электрическая передача, на маневровых и промышленных, а также на дизель-поездах, используются гидравлические передачи. Механические передачи применяются иногда на дизель-поездах и автомотрисах.