4.3. Требования, предъявляемые тяговым передачам

Элементы тяговой передачи при работе испытывают различные нагрузки, которые непостоянны по абсолютному значению и времени. В зависимости от режима ведения поезда мощность, реализуемая приводом, тяговый момент и частота вращения могут изменяться в широких пределах. Так в момент трогания поезда зубчатая передача работает в режиме «тихоходной передачи» с низкими частотами вращения и большим вращающим моментом. При движении на максимальных скоростях режим работы передачи приближается к типичному для «быстроходных» передач.

Температуры, при которых работают отечественные железные дороги, изменяются от +50 до –55 С. Непосредственная близость таких источников тепла, как ТЭД и тормозные устройства, а также собственное выделение тепла, может существенно увеличивать верхний уровень рабочих температур тяговой передачи.

Вода, снег, пыль, содержащие значительное количество абразивных и химически активных веществ, постоянно присутствуют в микроатмосфере, окружающей элементы передачи, а значительные перепады давления, вызванные аэродинамическими явлениями при движении на больших скоростях, способствуют их проникновению во внутренние полости. Кроме того тяговая передача является одним из немногих узлов локомотива, плохо поддающимся визуальному контролю не только в движении, но и на стоянке. В связи с нижеперечисленными причинами к передачам предъявляют ряд требований, определяемых данными эксплуатационными условиями работы локомотива. Наиболее важные из них следующие:

• упруго связывать якорь ТЭД с колесной парой;

• иметь минимальный вес необрессоренных частей и вызывать минимальное воздействие на путь;

• обеспечивать использование наиболее выгодной скорости ТЭД и его высокий КПД;

• допускать такое расположение ТЭД, при котором они легко доступны для осмотра и ремонта и защищены от снега, сырости и пыли;

• высокая безотказность в работе, так как тяговая передача не резервируется и отказ её практически приводит к отказу локомотива.

Для повышения КПД необходимо уменьшать потери в зубчатой передаче (передача должна быть одноступенчатой и иметь надежные уплотнения), для уменьшения потерь в подшипниках следует использовать подшипники качения.

Очень важно, чтобы привод имел хорошую ремонтопригодность, чтобы замены дорогостоящих узлов были не часты и чтобы объем работ по демонтажу и монтажу при ремонте был небольшой.

4.4. Эволюция компоновочных схем тягового привода

Основным доводом в пользу создания локомотивов с электродвигателем был тот факт, что вращательное движение вала электродвигателя значительно проще преобразовать во вращательное движение колесной пары, чем возвратно-поступательное движение поршня парового двигателя.

Первоначально появилась идея создания безредукторного тягового привода, в котором якорь двигателя насажен непосредственно на ось колесной пары и на нее же опирается корпус двигателя. При этом кинематическая схема передачи была проста, так как валы двигателя и движителя – это ось колесной пары. В 1889 г. такой привод применялся на первых электровозах Лондонского метрополитена. Однако, от такой схемы пришлось отказаться из-за того, что при скорости 50 км/ч полная неподрессоренность ТЭД постепенно приводила к разрушению как его самого, так и пути.

Более удачная конструкция была применена на электровозах фирмы «Дженерал Электрик» (США, 1906г.), в которой якорь насаживался на ось, а двухполюсный статор закреплялся жестко на подрессоренных частях локомотива. Статор мог перемещаться вертикально относительно якоря на величину деформаций рессорного подвешивания, что обусловило применение двигателя в двухполюсном исполнении и не позволило создать магнитную систему с оптимальным полюсным зазором. Кроме того, якорь оставался совершенно незащищенным от вибраций.

Простейшим приводом, который получил значительное распространение в начале прошлого столетия, явился привод с опорно-осевым подвешиванием ТЭД. Однако вследствие низкого уровня развития электромашиностроения оказалось невозможным вписать в подвагонный габарит двигатель мощностью более 250 – 330 кВт.

Наличие развитой паровозостроительной промышленности, для которой производство шатунно-кривошипных передач локомотивов рамного типа не представляло трудностей, подталкивало конструкторов к созданию группового тягового привода, у которого тяговый двигатель приводит во вращение несколько движущих осей.

Появившиеся в 20-х годах прошлого века в США и ряде Евро-пейских стран электровозы с одним-двумя ТЭД, установленными в кузове, и шатунно-кривошипной передачей имели значительно лучшие технико-экономические показатели и сцепные качества, более высокую мощность (при той же нагрузке на ось), чем аналогичные локомотивы с индивидуальным приводом.

Дальнейшее развитие электромашиностроения, совершенствование технологии изготовления зубчатых передач позволили создать достаточно надежный индивидуальный тяговый привод, способный конкурировать с групповым. К тому же групповой привод с шатунно-кривошипной передачей сдерживал переход на появившиеся локомотивы тележечного типа. В результате к 40 –м годам прошлого века электроподвижной состав был снова переориентирован на индивидуальный привод и в основном на использование простейшей схемы с опорно-осевым подвешиванием ТЭД.

Послевоенные годы отмечены постепенным освоением все больших единичных мощностей локомотивов и ростом максимальных скоростей движения, что вызвало необходимость снижения неподрессоренных масс, в том числе и масс элементов тягового привода, обеспечение защиты последнего от возросших динамических воздействий пути.

Дальнейшим шагом была разработка и использование на серийном тяговом подвижном составе привода с рамным подвешиванием тяговых двигателей, впервые в СССР примененных на вагонах метрополитена, а затем на электропоездах серии ЭР (с 1958 г.). такие двигатели имели и поставляемые с 1956 г. пассажирские электровозы производства Чехословакии.

В связи с ростом скоростей во Франции, ФРГ, Италии был осуществлен переход на привод, у которого был подрессорен не только двигатель, но и редуктор. Этому способствовало создание ряда неприхотливых в эксплуатации конструкций тяговых муфт с резинометаллическими шарнирами (муфты французской фирмы «Альстом», «Эрликон» - Швейцария, муфта инж. Жакмена (Франция)).

В середине 60-х г. французские локомотивостроители вновь вернулись к идее группового привода (но уже применительно к тележечному локомотиву), в котором связь между отдельными колесами осуществляется с помощью зубчатых передач. Это направление, позволяющее использовать более высокие единичные мощности ТЭД, снизить из число на локомотиве, улучшить сцепление и сосредоточить массы в центре тележки, с целью уменьшения её воздействия на путь, стало определяющим для французского локомотивостроения. Этого направления придерживаются специалисты ряда стран (Япония, Испания, Италия) в значительной степени оснащающих парк локомотивами с одномоторными тележками.

Появление скоростных электро- и турбопоездов с электрической передачей, рассчитанных на скорости значительно превышающие 200 км/ч привело к необходимости дальнейшего облегчения тележки, в результате чего появились конструкции, предусматривающие подвешивание ТЭД (французский электропоезд TGV) или ТЭД с редуктором (итальянский электропоезд ЕТR-500) на раме кузова.

Развитие силовой электроники позволило вернуться к идее использования в качестве тягового асинхронного двигателя. Его высокие энергетические показатели (даже при невысокой частоте вращения) создают реальную возможность возврата к безредукторному тяговому приводу.

Для высокоскоростного подвижного состава наметилось направление, связанное с переносом больших масс тягового привода на раму кузова.

Все конструкции тяговых приводов, применяемых на отечественных и зарубежных локомотивах, по степени подрессоренности его элементов подразделяются на 3 класса.

Привод I класса характеризуется опорно-осевой полуподрессоренной подвеской ТЭД и редуктора. Хотя ТЭД имеет слабую виброзащищенность и большую неподрессоренную массу m_нп = 6–8 т, данный привод применяется на всех отечественных серийных электровозах: ВЛ-15, 19, 22, 23, 8, 10, 60, 80, 82, 85 и др.

Привод II класса:

• установка тягового двигателя на подрессоренные части локомотива (раму тележки или кузова);

• наличие опорно-осевого полуподрессоренного редуктора с несущим корпусом.

Характеризуется соединением вала якоря двигателя (подрессоренная часть привода) с валом шестерни редуктора (полуподрессоренная часть привода) через тяговую подвижную муфту, способную передавать тяговый момент при взаимных перемещениях валов по различным плоскостям. Неподрессоренная масса составляет m_нп ≈ 4,5 т. Данный привод применяется на ЭР1, 2, 9, 22, 200; ЭТ2; ЧС1-8; ЭД-4М, 6М, 9М; ЭМ-2И-001;ЭП-1 и др.

Привод III класса:

• установка тягового двигателя и редуктора на подрессоренные части локомотива;

• соединение вала ведомого зубчатого колеса с колесной парой через тяговую подвижную муфту.

Здесь почти все элементы тягового привода подрессорены, неподрессоренная масса составляет m_нп ≈ 2 т, и их воздействие на путь резко снижается. Применялся на опытных ВЛ-40, 81, 84.

КОНСТРУКЦИЯ ТЯГОВЫХ ПЕРЕДАЧ В ПРИВОДАХ I КЛАССА