Як зв’язати дизель із колесами тепловоза
Мал. 6. Схема електричної передачі тепловоза
Електрична передача, при якій немає безпосереднього зв'язку валу дизеля з колісними парами, на відміну від жорсткої механічної передачі дозволяє отримати кращу залежність сили теплової тяги від швидкості його руху при постійному крутному моменті на валу дизеля. При цьому регулювання крутного моменту в залежності від зміни опору руху здійснюється автоматично: зі збільшенням опору руху (перехід на підйом) сила тяги збільшується, а при зменшенні опору збільшується швидкість руху, тобто відбувається те, що потрібно від тепловоза. Все це спрощує та полегшує керування тепловозом. Кількома тепловозами з електричною передачею, зчепленими один з одним для отримання великої потужності, можна керувати з однієї кабіни машиніста (за системою багатьох одиниць). Пояснимо це. Припустимо, щоб повести важкий склад, необхідний тепловоз потужністю 8820 кВт (12 000 л. с), а такого потужного локомотива немає. Як же бути? Потрібно поставити в ряд один за одним у голові складу чотири тепловоза з електропередачею кожен потужністю 2200 кВт (3000 к. с). Електропередача дозволить одному машиністу управляти всіма тепловозами (секціями, див. нижче) з одного поста керування. У цьому полягає ще одна перевага електропередачі. Але за всіх переваг електрична передача має і недоліки. Як зазначалося, вона дуже важка. Крім того, для автоматизації роботи електричних машин такої передачі потрібна велика кількість реле та інших апаратів. Електропередача не може повністю задовольнити конструкторів і тому, що на виготовлення генератора, тягових електродвигунів та інших машин і апаратів потрібно багато кольорових металів, переважноміді та її сплавів. Це дуже дорожчає вартість тепловоза. Існує передача, яка в порівнянні з електричною має меншу вагу, що припадає на одиницю потужності (правда, для потужностей не більше 880 кВт (1200 к. с), і майже не вимагає застосування кольорових металів. Це гідропередача. Вона може бути або чисто гідравлічної, або гідромеханічної.Гідравлічна передача, як показує сама назва, передає крутний момент від валу дизеля колісним парам тепловоза за допомогою енергії потоку рідини, що створюється в гідравлічних апаратах.Отже, тут вал дизеля не має жорсткого зв'язку з осями тепловоза При гідромеханічній передачі тільки в певному діапазоні швидкостей тягової характеристики тепловоза обертовий момент передається колісним парам через гідравлічні машини (гідромуфти та гідротрансформатори), а на інших режимах через коробку передач. .У загальному корпусі (рис. 7) розміщені відцентровий насос і турбіна.
Мал. 7. Схема гідравлічної передачі тепловоза
Вони є двома колесами з лопатками, насаджені на різні вали. Насосне колесо пов'язане з валом дизеля, а турбінне (через ряд проміжних деталей, у тому числі валів і зубчастих коліс) з осями колісних пар. Насосне та турбінне колеса наближені один до одного (зазор до 2 мм). Як змусити обертатися турбінне колесо? Можна підвести до його лопаток потік рідини (наприклад, олії). Так зазвичай і роблять. Колесо насоса, що приводиться в обертання валом дизеля, засмоктує з бака олію. Масло надходить до центру колеса і під дією відцентрової сили (звідси назва: відцентровий насос) відкидається з великою швидкістю до його країв: рідина набуває кінетичної енергії. Сходячи злопаток насосного колеса, потік олії із силою вдаряється об лопатки турбінного колеса. Кінетична енергія передається турбіні, змушуючи її колесо, і з ним і осі колісних пар обертатися, долаючи зовнішній момент опору. А що з олією? Потік його, втрачаючи швидкість, рухається до центру турбінного колеса, потім у бак, звідки знову засмоктується відцентровим насосом, замикаючи коло безперервної (замкнутої) циркуляції з насоса в турбіну і назад. Такий гідравлічний пристрій називається гідромуфтою (рис. 8). Гідромуфта має високий коефіцієнт корисної дії (к. п. д.), що досягає 95-96%.
Мал. 8. Гідромуфта а) схема; б) колеса
Здавалося б, що така передача моменту, що обертає, від дизеля колісним парам не має недоліків. Однак, це не так. Відомо, що дія завжди дорівнює протидії. Тому крутний момент турбінного колеса завжди дорівнює крутному моменту насосного колеса. Локомотив повинен створювати на рушійних колесах крутний момент різної величини при постійному режимі роботи дизеля. Інакше, наприклад, при торканні тепловоза з місця, коли опір руху особливо велике, що обертає момент турбінного колеса, а значить, і насосного значно зросте, дизель почне перевантажуватися, в результаті частота обертання його валу зменшуватиметься і може затихнути. У міру збільшення швидкості крутний момент турбінного, а значить, і насосного колеса падатиме, тобто навантаження дизеля зменшиться. Такий змінний режим роботи дизеля непридатний за умов експлуатації тепловоза. Щоб зробити гідромуфту придатною для використання, треба якимось способом змусити крутний момент турбінного колеса змінюватися відповідно до зовнішнього навантаження, а крутний момент насосного колеса залишатися постійним. А щоякщо між насосним та турбінним колесами розмістити нерухомий (з'єднаний з корпусом) ряд лопаток? Тоді потік масла, що залишає турбінне колесо, буде прямувати на лопатки насосного колеса завжди під одним і тим самим постійним кутом. Цей нерухомий (необертальний) ряд лопаток отримав назвунаправляючого апарату. Він дозволяє насосному колесу, отже, і дизелю навантажуватися однаковим (постійним) моментом незалежно від зовнішнього навантаження. Іншими словами, турбінне колесо завдяки напрямному апарату отримує можливість обертатися з малою частотою, долаючи великий момент опору, а дизель при цьому працює з постійним навантаженням. Так досягається трансформація (перетворення) крутного моменту, створюваного дизелем. Гідромуфта з направляючим апаратом отримала назву гідротрансформатора. Через додаткові втрати енергії на удари і тертя в напрямному апараті гідротрансформатор має к. п. д. 85-87%, тобто. менше к. п. д. гідромуфти. Зазвичай гідропередачі застосовуються і гидротрансформатор, і гидромуфта, а роботу вони включаються послідовно залежно від швидкості руху тепловоза. При гідравлічній передачі так само, як і при електричній, перемикання ступенів швидкості здійснюється дуже швидко, але при цьому все ж таки відбувається деяке падіння сили тяги. Однак воно виявляється малопомітним завдяки тому, що гідропередача має високий рівень автоматизації процесів регулювання сили тяги тепловоза залежно від потужності дизеля та швидкості руху. При створенні гідропередач для тепловозів великої потужності 880-2940 кВт (1200-4000 к. с.) у секції конструктори стикаються із серйозними труднощами. Ця обставина і змушує будувати всі тепловози потужністю понад 736 кВт (1000 к. с.) з електричним.приводом, у якому питання, пов'язані з передачі великої потужності, вирішуються простіше, а самі передачі працюють надійніше, що дуже важливо. Окрім тепловозів з механічною, електричною та гідравлічною передачами, були створені дослідні тепловози та з іншими типами передач: з повітряною (пневматичною), де дизель приводить у дію компресор, а повітря, стиснене в компресорі, здійснює роботу в повітряній машині, з'єднаній з колесами; з газовою передачею, при якій двигун служить джерелом газів (продуктів згоряння), що здійснюють роботу в машині, що призводить до обертання колеса тепловоза. Однак ці види передач виявилися недосконалими. Навіть за невеликої потужності вони виходили громіздкими та неекономічними, тому застосування на тепловозах не знайшли. Отже, під словом «передача» прийнято розуміти сукупність спеціальних пристроїв, які служать передачі потужності від дизеля до рушійним колесам тепловоза. Найголовніше призначення передачі в тому, щоб зберегти незмінним режим роботи дизеля: момент дизеля, що обертає, залишається постійним, в той час як на рушійних колесах тепловоза він змінюється відповідно до тягової характеристики. При сучасній конструкції дизеля передача тепловоза є неминучим. Два агрегати – дизель та передача – доповнюють один одного. Передача дозволяє від'єднати дизель від коліс тепловоза під час пуску цього двигуна, на зупинці або, якщо це доцільно, під час руху.