13. Тяговый привод (назначение, общие характериситики)

Тяговый привод транспортного средства – это комплекс устройств, служащих для преобразования энергии некоторого вида в работу по преодолению сопротивления движению. Непосредственное преобразование механической энергии в работу выполняет исполнительный орган привода – движитель транспортного средства.

Рис.7.1. Структурная схема тягового привода

В состав электропривода, где преобразуемой является электрическая энергия, кроме движителя, входят тяговая передача, ТЭД, преобразовательные и регулирующие устройства (рис.7.1).

Тяговый электрический двигатель (ТЭД) служит для преобразования электрической энергии в механическую и поэтому входит в состав как электрической так и механической части.

Тяговая передача обеспечивает передачу потока энергии от ТЭД к движителю. Тяговая передача – основной элемент механической части привода. Она, как правило представляет собой сложный механизм, на который необходимы значительные затраты при производстве, эксплуатации и ремонте. Развивающиеся в ней динамические явления отличаются высокой интенсивностью и могут приводить к последствиям, снижающим надежность локомотива в целом.

Преобразовательные и регулирующие устройства служат соответственно для преобразования получаемой от источника электрической энергии в энергию вида, необходимого для выбранного тягового двигателя, и регулирования потока энергии.

Традиционный тяговый подвижной состав железных дорог имеет привод, в котором в качестве движителя используется колесо, которое вдобавок выполняет и функцию опирания. Выполнение движителем функции опирания является неблагоприятным для привода, заставляя его отслеживать в пространстве траекторию опорного элемента, которая из-за неровностей пути никогда не бывает прямолинейной. Вследствие этого возникают динамические процессы по всей системе привода. Способствует динамическому нагружению привода и то, что колесная пара выполняет функции направляющего элемента локомотива, а следовательно, непосредственно взаимодействует с путем и в поперечном направлении.

Все это усложняет создание тягового привода. Не случайно поэтому его схемы и конструкция непрерывно меняются, совершенствуются и в то же время он зачастую остается одним из наиболее уязвимых элементов локомотива.

8.2. Основные элементы тяговой передачи

Тяговая передача передает поток энергии от вала ТЭД к колесной паре. Положение колесной пары в компоновочной схеме экипажа однозначно определено её опорными и направляющими функциями. Для вала же ТЭД существует несколько вариантов расположения, которые могут отличаться двумя основными признаками:

• подрессорен или неподрессорен относительно колесной пары двигатель;

• и взаимной ориентацией геометрических осей вала ТЭД и оси колесной пары (оси могут быть соосными, параллельными, непараллельными пересекающимися и непараллельными непересекающимися).

Двигатель размещенный на подрессоренных частях тележки или кузове, может перемещаться относительно колесной пары. Чтобы передать вращение в условиях взаимных перемещений отдельных элементов передачи, необходимы подвижные соединительные муфты. Если двигатель опирается непосредственно на ось колесной пары, необходимость в муфте отпадает.

При несоосности геометрических осей вала двигателя и колесной пары необходим редуктор, который как правило выполняется на базе зубчатых передач и может быть цилиндрическим, коническим.

Таким образом, передача может, кроме вала ТЭД и колесной пары, включать в себя тяговые муфты и редукторы.

Все названные элементы соединены друг с другом непосредственно при значительном удалении друг от друга валопроводами.

14. Тяговый привод 1 класса (характерные особенности). Зубчатая передача.

Конструктивные особенности тяговой передачи в приводе класса I в значительной мере определены тем, что тяговый двигатель одной стороной опирается на тележку, а другой – непосредственно на ось колесной пары. Появляющаяся при этом связь двигателя с колесной парой позволяет технически просто (с помощью моторно-осевых подшипников - МОП) обеспечить параллельность вала якоря двигателя и оси колесной пары и постоянства расстояния между ними.

Это в свою очередь дает возможность применить простейшую тяговую передачу, состоящую из шестерни и зубчатого колеса, жестко посаженых соответственно на вал двигателя и ось колесной пары.

При опорно-осевом подвешивании двигателя крепление его к раме тележки выполняют упругим, при этом различают траверсное, маятниковое и люлечное подвешивание [7, 8, 10 ,14 , 15].

На отечественных тепловозах и электровозе ВЛ60 ПК применено траверсное подвешивание (рис.8.2). Привод включает электродвигатель 1, опирающийся с одной стороны через моторно-осевые подшипники скольжения (МОП) на ось колесной пары 3, а с другой с помощью верхнего и нижнего приливов – на пружинный комплект 2 (вид А).

Последний состоит из четырех пружин, расположенных между двумя балками 7, стягиваемыми болтами 8. Пружинный комплект устанавливается между лапами кронштейна, приваренного к поперечной балке рамы тележки, с предварительным натягом, исключающим деформацию пружин от реакции тягового момента. Его положение в кронштейне фиксируется двумя стержнями 9, проходящими через отверстия в лапах и балках (стержни удерживаются поперечными валиками 10).

Передача вращающего момента осуществляется односторонним редуктором, состоящим из ведущей шестерни 5, ведомого зубчатого колеса 6 и кожуха 4. В кожух зубчатой передачи заливается 4,5-5,5 л осерненной смазки или смазки СТП (летом марки Л, зимой З).

Зубчатая передача в приводах класса I выполняется в зависимости от передаваемой мощности односторонней или двусторонней. На отечественных грузовых электровозах привод имеет двустороннюю косозубую передачу с углом наклона зубьев 24˚ (рис.8.6). Равенство статических нагрузок с правой и левой стороны двусторонней зубчатой передачи обеспечивается противоположным наклоном зубьев.

На моторных вагонах электропоездов применяют одностороннюю зубчатую передачу.

Для нормальной работы зубчатого зацепления необходимо, чтобы расстояние между центрами (централь) зубчатого колеса и шестерни не менялось. Работа зубчатой передачи не нарушается тогда, когда связь ТЭД с колесной парой неизменна, т.е. нет износа МОП.

Появляющиеся при работе односторонней передачи распорные силы вызывают неравномерную нагрузку и износ МОП и зубчатой передачи ТЭД, чем нарушают нормальную работу зубчатого зацепления (появляются перенапряжения и клиновидный износ зубчатых колес).

Рис.8.6 – Ведомое зубчатое колесо (а), шестерни грузовых электровозов ВЛ60, ВЛ80 (б), ВЛ80^К, ВЛ10 (в)

При двусторонней зубчатой передаче также наблюдается односторонний износ зубчатых колес. При двусторонней зубчатой передаче необходимо обеспечить одинаковую нагрузку обоих шестерен, что и достигается косозубым зацеплением, когда обе стороны выполняются с наклоном зубьев в противоположных направлениях. Если в результате неточностей монтажа в зацепление вступает шестерня одной стороны передачи, появляющаяся аксиальная составляющая от косого зуба колес на шестерню заставляет якорь перемещаться до тех пор, пока не войдет в зацепление шестерня другой стороны.

Одним из основных недостатков передачи при опорно-осевом подвешивании ТЭД является увеличение необрессоренного веса, что при прохождении колесной парой неровностей пути вызывает значительные напряжения в шестернях, возрастающие с увеличением инерции якоря. Для уменьшения воздействия пути на зубчатую передачу применяют зубчатые колеса с упругими венцами. Упругие венцы обеспечивают при двусторонней передаче более равномерное распределение усилий между обеими передачами, причем распределение зависит от жесткости упругого механизма венцов и начального их усилия.

Рис.8.7 Упругая зубчатая передача с листовыми пружинами:

1–зубчатый венец; 2–зубчатое колесо; 3–упругие пластины; 4–шайба; 5–центр колеса; 6–прокладка

В упругих зубчатых передачах применяются листовые и цилиндрические пружины.

Конструкция первого типа передачи представлена на рис.8.7. При передаче вращающего момента от двигателя венец 1 поворачивается относительно центра зубчатого колеса 2 и вызывает дополнительный изгиб упругих пластин 3. Чтобы не допустить выпадения пакетов, с обеих сторон центра зубчатого колеса устанавливают шайбы из листовой стали 4 и стягивают их заклепками с потайными головками. Центр 5 имеет по внешней стороне в зависимости от передаточного числа от 22 до 25 пазов, в которые закладываются пакеты листовых пружин. Каждый пакет состоит из восьми пластин и прокладки 3. Пластины помещены в два ряда по четыре с каждой стороны прокладки, которая создает предварительный натяг. За состоянием пакетов наблюдают через отверстия 4 в шайбах.

Упругие венцы с рессорными пакетами (электровозы ВЛ19 и ВЛ22^м) имеют большую жесткость, поэтому при самом незначительном несоответствии в расположении зубьев шестерен и зубчатых колес на обеих сторонах колесной пары при движении в одном направлении передача часто работает одной стороной, а при движении в обратном – другой.

Венец с цилиндрическими пружинами получается менее жестким. Венец 1 зубчатого колеса электровоза Ф (рис.8.8) неразрезной, снабжен выступами 6, проходящими между парными выступами 5 в теле центра зубчатого колеса 2. Чтобы венец можно было надеть на центр, вырезы между выступами должны несколько превышать выступы. После установки венца выступами против пазов в зубчатом колесе и поворота его таким образом, чтобы выступы венца оказались внутри парных выступов центра зубчатого колеса, в образовавшееся свободное пространства между выступами ставят пружины 3 с упорами 4.

Не смотря на улучшенные условия передачи тягового момента передача не нашла широкого распространения (электровозы Ф и ВЛ8) из – за сложности в ремонте.

Рис.8.8 Зубчатое колесо электровоза Ф

1–венец; 2– центр зубчатого колеса; 3–пружины; 4–упоры; 5–выступы в центре зубчатого колеса; 6–выступы венца

Шестерни изготовляются из стали 20ХН3А или 37ХН3А; после нарезки их цементируют, закаливают и шлифуют. Ведомые зубчатые колеса электровозов изготовляют из стали 55, заготовки подвергаются закалке и высокому отпуску. На их долговечность влияют не только технология, но и точность изготовления. При отклонении основного шага и профиля зацепления от нормы не происходит плавного пересопряжения зубьев, возникают удары, сила которых из–за больших частот пересопряжений и значительных взаимодействующих масс может измеряться десятками тонн. Вследствие этого в процессе работы передачи происходит износ зубьев, выкрашивание металла, появление усталостных трещин в основании зуба и нарушение эвольвентного профиля; одновременно идет приработка зубьев, в процессе которой снижаются негативные последствия искажения профиля, и виброактивность зубчатой колесной пары может оставаться умеренной.

Одной из причин усталостных разрушений зубчатых колес является недостаточное поверхностное упрочнение их. Поэтому после механической обработки зубьев проводят поверхностную закалку токами высокой частоты. При этом время нагрева одного зуба составляет 12-15 сек, охлаждение 6 - 8 сек при температуре 50 С в растворе соды и мыла. После закалки производится отпуск при нагреве до 200 С с медленным воздушным охлаждением и шлифовка зубьев. С обеих сторон рабочей поверхности зубьев оставляют незакаленный слой на 21 мм до края. Впадину и головку также оставляют незакаленными. Толщина закаленного слоя составляет 1,5-4 мм.

Закалка только рабочей поверхности имеет тот недостаток, что в закаленном слое возникают сжимающие напряжения, а в месте перехода от закаленного к незакаленному слою – растягивающие, которые вместе с рабочими растягивающими напряжениями являются причиной образования трещин и усталостных разрушений. Во избежании этого можно рекомендовать механическое упрочнение (роликом на специальном накатном станке) впадин между зубьями.

Хорошие результаты дает закалка токами высокой частоты по всему контуру, включая впадины, что исключает образование переходных зон.

Если по какой либо причине редуктор «распарен», т.е. одно из приработавшихся зубчатых колес заменено, то происходит резкое возрастание, даже если у вновь поставленного колеса рабочие поверхности зубьев не изношены.

Среди зубчатых колес стоит уделить внимание упругому самоустанавливающемуся колесу (рис.8.9). Оно состоит из зубчатого венца 1, ступицы 8, двух фланцев 6, соединенных со ступицей болтами 9. В соосных отверстиях венца и фланцев в чередующемся порядке установлены восемь эластичных 2 и восемь упорных 4 резинометаллических блоков. Блок в осевом направлении фиксируется стопорными кольцами 5 и упорными дисками 3, прикрепленными снаружи к боковым фланцам колеса. Венец опирается на ступицу через насыпной роликовый подшипник.

Эластичный резинометаллический блок состоит из трех резиновых элементов. При трогании локомотива с места и разгоне к зубчатому колесу приложен большой вращающий момент. Под действием его венец поворачивается относительно ступицы, деформируя вначале эластичные, а затем и упорные резинометаллические блоки. С увеличением скорости движения вращающий момент уменьшается и упорные резинометаллические блоки выводятся из работы.

Применение данного типа передачи оказало положительное влияние на надежность работы ТЭД и других узлов привода: так более чем двукратное снижение динамических нагрузок в упругой тяговой передаче уменьшило её виброактивность, в результате чего уменьшились повреждения болтовых креплений кожуха редуктора к остову ТЭД. Уменьшилась склонность локомотива к боксованию, на 15 % снизилась интенсивность износа бандажей.

Несмотря на постоянное совершенствование конструкции, тяговые приводы первого класса обладают рядом неустранимых недостатков, снижающих надежность, усложняющих эксплуатацию и ремонт:

1. Слабая виброзащищенность ТЭД и как следствие повреждаемость ТЭД из–за высокой вибронагруженнности.

2. 

   Рис.8.9 Упругое самоустанавливающееся зубчатое колесо:

   1–зубчатый венец; 2,4–эластичные и упорные резинометаллические блоки; 3–упорные диски; 5–стопорные кольца; 6–фланцы; 7–насыпной роликовый подшипник; 8–ступица; 9–болты;

   Высокий уровень вибрации в контакте колес с рельсами, обусловленный значительной неподрессоренной массой и высокими динамическими нагрузками в передаче, приводит к снижению реализуемого коэффициента сцепления и к увеличению интенсивности износа бандажа колесной пары и поверхности катания рельса.

3. Существенным конструктивным недостатком остается наличие МОП скольжения и невозможность обеспечить герметичность кожуха редуктора.

Так как двигатели коллекторные, то при больших вибрациях щетка может оторваться от коллектора, что нежелательно для его нормальной работы.