Статьи

Гидропередача: особенности и перспективы

«Гидропередача: особенности и перспективы
2-09-2015 3 521 0

После Второй мировой войны на железнодорожном транспорте в СССР, США, Германии и многих других странах наметилось перевооружение тяги. Взамен

После Второй мировой войны на железнодорожном транспорте в СССР, США, Германии и многих других странах наметилось перевооружение тяги. Взамен паровозов на железные дороги стали поступать тепловозы и электровозы. Этот период времени характеризуется обширным заимствованием идей и технологий: железные дороги СССР и США приобретали тепловозы с гидропередачей немецкого производства, а также строили аналогичные локомотивы самостоятельно. В то же время, в Европу поставлялись тепловозы с американским оборудованием (например, тепловозы фирмы «Nohab»). По результатам испытаний в каждой стране было выбрано свое направление развития.

В Германии продолжилась постройка тепловозов с гидравлической переда¬чей, что было обусловлено отработанностью технических решений по дизелям и передачам еще в предвоенные годы. Локомотивостроительные компании США сосредоточили внимание на производстве тепловозов с электрической передачей. В СССР было принято решение строить для нужд МПС магистральные и маневровые тепловозы с электрической передачей. Для локомотивов промышленного транспорта сочли целесообразным применять как электрическую, так и гидравлическую передачи мощности.

Ввиду того, что опыта создания и проектирования гидравлических передач для тепловозов в 1950-е годы отечественное машиностроение не имело, то на начальном этапе внимание было сосредоточено на поиске оптимального решения. Поэтому первые тепловозы ТГ100 и ТГМ2 имели гидромеханические двухпоточные передачи мощности, идеологически заимствованные из автомобильного транспорта.

Определенное распространение на первом этапе получила гидропередача Л60 с двумя комплексными гидротрансформаторами ГТК2. Она применялась на тепло¬возах ТГ102. Гидротрансформатор этой передачи применялся и в гидропередаче тепловоза ТГ106. Уникальная передача с тремя гидротрансформаторами была создана для тепловоза ТГП50.

Совмещение характеристик дизеля и комплексного гидротрансформатора
Какими особенностями обладают гидромеханические и гидродинамические передачи? В гидромеханической требуемый диапазон изменения скорости обеспечивается как изменением передаточного отношения в трансформаторе, так и переключением механических ступеней. В гидродинамической передаче требуемый диапазон обеспечивается переключением гидроаппаратов. Один из трансформаторов, как правило, служит в качестве пускового, а второй и другие являются маршевыми.

Особенность гидромеханической пере¬дачи заключается в применении комплексных гидротрансформаторов с прямой прозрачностью. Как правило, такой трансформатор состоит из насосного и турбинного колес, а также одного или нескольких направляющих аппаратов (реакторов), за¬крепленных на неподвижном валу через муфты свободного хода. При согласовании характеристик дизеля и комплексного гидротрансформатора расчетная точка выбирается таким образом, чтобы «на сто¬пе» момент (при передаточном отношении трансформатора, равном нулю), создаваемый насосным колесом, был равен максимальному свободному моменту на двигателе.

В случае увеличения передаточного отношения гидротрансформатор разгружается, момент на насосе снижается, что приводит к смещению точки совместной работы в область более высоких частот вращения коленчатого вала дизеля. Прямая прозрачность комплексно¬го гидротрансформатора позволяет более полно использовать внешнюю характеристику дизеля, но не обеспечивает поддержание постоянства мощности. В силу этих причин от применения комплексных гидротрансформаторов в качестве маршевых на тепловозах отказались.

Двухпоточные передачи отличаются разделением потока мощности от коленчатого вала дизеля на две составляющие — механическую и гидравлическую. Распространены два типа двухпоточных передач: с разделением потока и суммированием (соответственно, с разделительным рядом и суммирующим). При раз¬делении потоков мощности часть потока через планетарный механизм передается на гидротрансформатор, а часть его минует. При использовании суммирующего ряда объединение потоков мощности про¬изводится также планетарным механизмом.

Принципиальные схемы двухпоточных передач представлены ниже. Особенностью такой передачи является возможность более широкого использования внешней и частичных характеристик дизеля в сравнении с обычной гидромеханической передачей с комплексным трансформатором. В настоящее время двух¬поточная планетарная коробка передач с разделительным рядом («Diva» — разработки компании «Voith») нашла широкое применение на автобусах ЛИАЗ-5256.

Классификация двухпоточных гидромеханических передач
В гидродинамической передаче наибольшее распространение получили не-прозрачные гидротрансформаторы. Они сконструированы таким образом, что при изменении передаточного отношения момент на насосном колесе остается практически неизменным. Это позволяет достаточно просто согласовать дизель и передачу, а также выполнять настройку дизеля на соответствующие режимы работы. Непрозрачные трансформаторы обладают также более высоким коэффициентом трансформации, нежели комплексные трансформаторы. Кроме того, они имеют более простую конструкцию.

В результате экспериментов для отечественных тепловозов с гидропередачей была выбрана гидродинамическая пере¬дача типа УГП750-1200, созданная на основе передачи «Voith» L217. С этой передачей были созданы тепловозы типа ТГМЗА(Б), ТГМ4 и ТГМ6. Для маневровой работы в МПС поставлялись только тепловозы типа ТГМЗБ, но они постепенно были заменены тепловозами типа ЧМЭЗ. Серийно выпускавшиеся Людиновским заводом тепловозы типов ТГМ4 и ТГМб поставлялись только на промышленный транспорт.

Продольный разрез гидропередачи УГП 750-1200
Одной из причин свертывания работ по гидравлическим передачам является низкий технологический уровень отечественного гражданского транспортного машиностроения. При простоте устрой¬ства гидравлическая передача оказалась требовательна к точности изготовления, качеству применяемых материалов. Компактных и экономичных высокооборотных транспортных дизелей для тепловозов с гидропередачей в СССР, в отличие от ФРГ, также не было. Ввиду этого, на первых серийных тепловозах с гидропередачей применялись двигатели, созданные изначально для военной техники.

Только опытные тепловозы оснащались дизелями, аналогичными тем, что при-менялись на тепловозах с электрической передачей. Лишь к началу 70-х годов были созданы транспортные высокооборотные двигатели типа ЧН21/21.

Вторая причина отказа от гидропередачи состоит в технико-экономических показателях тепловозов с гидропередачей. Кроме КПД гидроаппаратов, на экономичность локомотива в эксплуатации оказывает влияние характер нагружения дизеля.

Наглядным примером сравнения гидропередачи и электропередачи могут слу-жить тепловозы ТЭМ2 и ТГМ10 — они оба шестиосные с примерно близкими тяговыми свойствами. Основным отличием является применение на ТГМ10 гидропередачи типа УГП750-1200. На рис 4 показаны тепловозные характеристики дизелей локомотивов.

Сила тяги тепловоза с гидропередачей зависит от момента на насосном колесе, который пропорционален квадрату часто¬ты вращения коленчатого вала, и коэффициента трансформации. Скорость движения линейно зависит от частоты вращения коленчатого вала дизеля и передаточного отношения в гидротрансформаторе. Таким образом, мощность дизеля тепловоза с гидропередачей пропорциональна частоте вращения коленчатого вала в третьей степени.

Как видно из рисунка, для того чтобы реализовать одну и ту же мощность или силу тяги, тепловозу с гидропередачей необходимо раскрутить дизель до более высоких частот вращения, что в условиях маневро¬вой работы приводит к дополнительного расходу топлива на раскрутку вращающих¬ся масс. Сам разгон также происходит при низких значениях КПД передачи вследствие разницы между темпом набора частоты вращения коленчатым валом дизеля и ускорением тепловоза. Одним из недостатков гидропередачи УГП 750-1200 ока¬залось длительное время реверсирования.

В результате при интенсивной маневровой работе тепловоз с гидравлической передачей существенно проигрывает те¬пловозу с электрической, что и подтверди¬ла опытная эксплуатация тепловозов ТЭМ2 и ТГМ10 в депо Брянск Московской дороги. Проиграли тепловозу ТЭЗ по своим техни¬ко-экономическим характеристикам и магистральные тепловозы с гидропередачей типа ТГ102, ТГ106 и ТГП50, эксплуатировавшиеся на Октябрьской дороге.

С течением времени техника совершенствуется, создаются новые модели. Так, компания «Voith» в своих передачах отказалась от промежуточного вала и перешла на выпуск конструктивно более просты двухаппаратных гидропередач с единым турбинным валом, а впоследствии разработала для маневрово-вывозных тепловозов гидрореверсивную передачу, в которой для каждого направления использовался свой ряд гидроаппаратов. Это решение позволило снизить время ревесирования передачи, а также использовать второй ват аппаратов для торможения тепловоза.

Контрпримером является гидропередача УГП-1200. Она практически не изменилась. Нельзя сказать, что над совершенствованием передачи не работали. Например, в конструкцию вносились изменения, направленные на увеличение скоро¬сти реверсирования и исключения провале силы тяги при переключении гидроаппаратов. Однако принципиальные недостатки передачи сохранились. И в нынешнем виде эта передача уже не удовлетворяет заказчиков.

Но не все идеально и у компании «Voith». Спрос на мощные тепловозы с гидропередачей в конце 1990-х годов со сторонь частных компаний создал благоприятную почву для разработки гидропередач мощ¬ностью свыше 2000 кВт. Тепловозы компании «Vossloh» G1700ВВ мощностью до 1800 кВт и G2000BB мощностью до 2700 кВт с гидропередачей в начале 2000-х годов были самыми мощными и наиболее востребованными европейскими тепловоза¬ми. Обе компании работали над созданием мощного магистрального тепловоза с гидропередачей.

Необходимость замены устаревших магистральных тепловозов в Европе заставила крупных европейских производителей подвижного состава вновь обратить свое внимание на создание магистрального тепловоза. Так появилось новое направление: создание тепловоза на основе электровоза. Тепловозы такой концепции были в короткие сроки разработаны и построены компаниями «Siemens», «Bombardier» и «Alstom».

После приобретения завода в г. Валенсия, выпускавшего магистральные тепловозы на основе силового и вспомогательного оборудования «EMD» и маневровые тепловозы с передачей переменного тока, компания «Vossloh» свернула работы над проектами мощных локомотивов с гидропередачей. Сегодня линейка мощных универсальных тепловозов, изготавливаемых на заводе в г. Киль, расширена за счет тепловозов с электропередачей переменного тока типа DE1800.

Тепловозные характеристика дизелей тепловозов ТЭМ2 и ТГМ10
В условиях снижения стоимости и повышения надежности тягового привода переменного тока конкуренция на поле, где ранее единственным игроком была компания «Voith», становится крайне жесткой, что вынуждает ее искать новые пути выживания и развития бизнеса. Одним из таких решений явилась организация собственного производства тепловозов в г. Киль. Первым шагом стало постройка магистрального тепловоза с гидропередачей типа Maxima 4000СС мощностью 3600 кВт, а следующим шагом — создание линейки маневрово-вывозных тепловозов мощностью 500…1500 кВт.

Компании «Voith» способствовал успех в этом направлении, так как железные дороги Германии заказали крупную партию маневровых тепловозов Gravita 10 мощностью 1000 кВт. Кроме того, чтобы реализовать законченное решение для пригородного подвижного состава, компания организовала собственное производство дизелей мощностью до 600 кВт для дизель- поездов. Не оставаясь в стороне от современных тенденций, «Voith» разрабатывает и свой вариант гибридного привода.

Несомненным плюсом тепловозов с гидропередачей являются высокие тяговые свойства. Сравнительные испытания тепловозов типа ТГМ6 и ТЭМ2 показали, что четырехосный тепловоз с групповым приводом не уступает по тяговым свойствам шестиосному с электропередачей и индивидуальным приводом колесных пар. Между тем, применение микропроцессорных систем управления тяговым приводом на тепловозах с электропередачей позволило сравнять по тяговым свойствам тепловозы с гидро и электропередачей. В этих условиях основными преимуществами гидропередачи могут быть низкие стоимость и затраты на техническое обслуживание и ремонт.

Парк маневровых тепловозов как в промышленности, так и в ОАО «РЖД» морально и технически устарел. Однако для его замены сегодня предлагаются только решения с электропередачей, например, ТЭМ18ДМ, ТЭМ9 и ТЭМ7А. Принципиально новые разработки ведутся только по локомотивам с электропередачей: это тепловозы с гибридными и многодизельными силовыми установками (ТЭМ9Н, ТЭМЗЗ, ТЭМ35). Предложений по новым маневровым тепловозам с гидравлической переда¬чей сегодня нет.

В этих условиях промышленные предприятия разрабатывают свои проекты модернизации тепловозов типа ТГМ4/ТГМ6. Известен пример замены гидропередачи УГП-1200 на передачу «Voith», реализованный на локомотиве ТГМ6А комбината НЛМК. Но эти примеры являются единичными и пока не получили массового распространения. Компания «Voith» планирует разместить производство маневровых тепловозов с гидропередачей в России.

Итак, сегодня в России очевиден прогресс, прежде всего в области тепловозов с электропередачей. Если в ближайшее время не появятся конкурентоспособные предложения по тепловозам с гидропередачей, то справедливо ожидать замены локомотивов типа ТГМ4/ТГМ6 их аналогами с электропередачей. В этом случае потенциальный рынок для тепловозов с гидропередачей сильно сузится, и цена та¬кого локомотива будет являться основным критерием при прочих равных условиях.

Вас заинтересуют так же следующие новости

Больше интересного

Комментарии (0)
Добавить комментарий
Прокомментировать
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
ИЛИ ЧЕРЕЗ СОЦ. СЕТЬ