Гидравлическая передача мощности: прошлое, настоящее, а будущее?
Цель этой статьи — не рассказать о прошлом и настоящем гидравлической передачи мощности, а привлечь к ней внимание специалистов и руководителей, связанных с организацией технического перевооружения железнодорожного транспорта. Развитие гидропередачи в отечественном машиностроении незаслуженно остановлено из-за ошибок при проектировании и неправильной эксплуатации опытных локомотивов.
Когда создавались первые, тепловозы, перед конструкторами стояла очень сложная задача, как связать двигатель внутреннего сгорания (дизель) с движущими колесными парами. Любая автономная тяговая единица — паровоз, тепловоз или газотурбо-воз представляет собой тепловую энергетическую установку, поставленную на железнодорожный экипаж и приспособленную для привода его движущих (сцепных) осей.
Естественно, на заре создания автономных локомотивов в качестве силовой установки пытались использовать известные и уже применявшиеся в промышленности или на водном транспорте стационарные энергетические установки. Однако режимы работы стационарного теплового двигателя и локомотивного кардинально отличаются. Эти различия обусловлены, прежде всего, характером изменений мощности и силы тяги локомотива в зависимости от скорости движения, профиля пути и веса поезда, особенно в моменты трогания с места и разгона. Для приспособления теплового двигателя к работе на тяговом подвижном составе нужна передача мощности.
Современные локомотивы оборудуют, в основном, только двумя типами передач — электрической и гидравлической (гидродинамической). Причем, в практике отечественного машиностроения магистральные грузовые и пассажирские тепловозы, а также маневровые мощностью более 800 кВт оборудуют только электрической передачей. Гидравлическая нашла свое применение на тепловозах промышленного транспорта и локомотивах, которые работают в сложных климатических условиях на Сахалинской дороге.
Гидравлическая передача получает вращающий момент от коленчатого вала дизеля и передает его к колесным парам локомотива, используя энергию движущегося потока жидкости. Преобразование вращающего момента происходит в специальных аппаратах — гидротрансформаторах. На колесные пары мощность передается посредством карданных валов, осевых и промежуточных редукторов. Таким образом, гидравлической передачей называется такая передача, в которой как полная, так и частичная мощность во всем диапазоне скоростей передается гидравлическими машинами или аппаратами.
Гидравлическая передача имеет как определенные преимущества перед электрической, так и некоторые недостатки. К достоинствам гидравлических передач можно отнести их более высокую надежность, невысокую стоимость (расход цветных металлов 0,15 вместо 2,2 кг/кВт у электропередач), меньшие по сравнению с электропередачами габариты и удельный вес (3... 5 кг/кВт, у электропередач — 8... 12 кг/кВт), а также простоту в эксплуатации. К основным недостаткам следует отнести более низкий КПД по сравнению с электропередачей. Это объясняется особенностями характеристик и КПД гидроаппаратов (К.М. Попов, «Вестник ВНИИЖТ»№ 3,2003 г.).
Почему же в отечественном машиностроении при всех своих достоинствах гидропередача не нашла широкого применения на магистральных локомотивах? Первым магистральным тепловозом с гидропередачей был опытный двухсекционный ТГ100 (рис. 1), построенный в 1959 г. Луганским тепловозостроительным заводом имени Октябрьской революции. В качестве первичных двигателей локомотив был оборудован четырьмя дизелями (по два в каждой секции) М751 (рис. 2). При номинальной частоте вращения коленчатого вала 1400 об/мин дизель развивал мощность 552 кВт (750 л.с.).
Мощность от дизеля на колесные пары передавалась через гидромеханическую передачу и распределялась на две оси посредством карданных валов. Расчетный КПД тепловоза в диапазоне скоростей 30 — 100 км/ч при полной мощности составлял 28 %. В опытной эксплуатации тепловоз показал низкую надежность, в основном из-за неудачно выбранного дизеля М751, который имеет низкий моторесурс, повышенный расход топлива и не приспособлен к работе на локомотивах. Гидромеханическая двухпоточная гидропередача также не смогла обеспечить надежную работу. Кроме того, она была довольно сложной в обслуживании и ремонте.
В том же 1959 г. Луганский тепловозостроительный завод построил грузопассажирский двухсекционный ТГ102 (рис. 3), который был также оснащен четырьмя дизелями М756 мощностью 736 кВт (1000 л.с.) при частоте вращения 1500 об/мин. Таким образом, полная мощность тепловоза составляла 2944 кВт (4000 л.с.). На этом локомотиве завод отказался от применения гидромеханической передачи и перешел к чисто гидравлической без использования планетарных редукторов. Построив первый опытный тепловоз, Луганский завод передал документацию и чертежи Ленинградскому тепловозостроительному. Всего было построено 79 двухсекционных локомотивов.
В процессе производства тепловозы ТГ102 много раз подвергались модернизации, но в основном они касались гидропередачи, конструкции кузова и тележек. Использовались гидропередачи Л60 Луганского завода на тележках (ТГ102), Л60 на раме кузова (ТГ102Р), а также L217 фирмы «Voith» (Германия) на тележках (ТГ102Ф) и L217 на раме кузова (ТГ102ФР), УГП-1000 Калужского завода — только на раме кузова (ТГ102К). После проведения в 1964 г. тягово-теплотехнических испытаний было установлено, что КПД тепловоза достигает 29,2 %, а при работе на гидромуфте при скорости 100 — 110 км/ч — 33 %, сила тяги — 284,2 кН при скорости 25 км/ч.
Эксплуатация тепловоза ТГ102 магистральной модификации была затруднена также из-за капризности дизелей М756, совершенно не приспособленных для поездной работы. Сказывались, кроме того, низкое качество профилактических и текущих ремонтов, полное отсутствие культуры технического обслуживания. В процессе эксплуатации локомотива допускались превышения весовых норм и межремонтных пробегов. В результате к 1967 г. из 76 эксплуатировавшихся тепловозов ТГ102 около 20 стояли «под забором».
В 1960 г. Луганский тепловозостроительный завод разработал проект, а в 1961 г. построил шестиосный грузовой тепловоз с гидропередачей ТГ105 (рис. 4). На локомотиве установлены двухтактный дизель 7 (рис. 5) типа 10Д 100А с номинальной мощностью 2208 кВт (3000 л.с) и две гидропередачи 5, размещенные на рамах тележек. В конструкции гидропередач впервые применили сдвоенные комплексные гидротрансформаторы. Тепловоз ТГ105 был изготовлен в единственном экземпляре и при испытаниях показал КПД в расчетном диапазоне скоростей 27,5 — 30 %. Сила тяги составляла 230,3 кН при скорости 25 км/ч.
Также Луганский тепловозостроительный завод в 1961 г. спроектировал и построил односекционный шестиосный тепловоз с гидропередачей ТГ106 (рис. 6). Его силовое оборудование: два двухтактных V-образных дизеля 4Д40 мощностью 1470 кВт (2000 л.с.) каждый и две гидропередачи, расположенные на главной раме. Тепловоз мог развивать длительную силу тяги 343 кН при скорости 20 км/ч, имел КПД в расчетном режиме 27,4 % для скоростей движения от 24 до 100 км/ч. В 1963 г. были построены еще два тепловоза серии ТГ106 с дизелями 1Д40, которые проходили опытную эксплуатацию в депо Волховстрой Октябрьской дороги.
Кроме Луганского завода, локомотивы с гидропередачей пытался изготавливать и Коломенский тепловозостроительный, который в конце 1962 г. выпустил опытный односекционный шестиосный пассажирский тепловоз с гидропередачей ТГП50 (рис. 7). Этот локомотив был оборудован двумя дизелями типа 1Д40 и двумя гидропередачами с тремя гидротрансформаторами каждая, расположенными на главной раме (рис. 8). Конструкционная скорость тепловоза — 140 км/ч. Он мог развивать длительную силу тяги 294 кН при скорости 21,5 км/ч. Расчетный КПД достигал 24 — 25 % в интервале скоростей от 21 до 125 км/ч. В 1963 г. Коломенский завод изготовил еще два тепловоза ТГП50, которые до конца 1965 г. проходили опытную эксплуатацию в депо Волховстрой.
В 1967 г. специально для железной дороги о. Сахалин Людиновский завод изготовил двухсекционный восьмиосный тепловоз с гидропередачей ТГ16 мощностью 2x1207 кВт и двумя дизелями в секции типа М756В мощностью 603,5 кВт каждый (рис. 9). Локомотив предназначен для эксплуатации на колее шириной 1067 мм. Мощность от дизелей к колесным парам передается через гидропередачи типа УГП-1000 Калужского завода. Гидропередачи располагаются на раме кузова между тележками. Тепловоз развивает в длительном режиме силу тяги 303,8 кН при скорости 20 км/ч. При этом его КПД составляет 27,7 %.
Локомотивы ТГ16, оборудованные гидропередачей, до сих пор эксплуатируются на железной дороге о. Сахалин и для их замены нет достойного проекта, особенно учитывая местные климатические условия. Было спроектировано и построено несколько секций тепловозов ТГ21 (22) мощностью 2 х 772 кВт с дизелями типа 221Д (по компоновке аналогичные тепловозу ТГ16), но из-за конструктивных недостатков локомотив в серию не пошел, а эксплуатировавшиеся секции встали «под забор».
Сравнительные характеристики локомотивов, которые оборудованы электрической и гидравлической передачами мощности, приведены в табл. 1. Степень совершенства тепловоза, как тяговой машины, можно оценить таким параметром, как коэффициент использования мощности. Это отношение средней касательной мощности к эффективной мощности дизеля: Кк = Nk/Ne = FkVfl/270Ne. Данный параметр учитывает потери в передаче, затраты мощности на привод вспомогательного оборудования и степень отклонения касательной мощности от среднего постоянного значения.
При сравнении коэффициента использования мощности тепловозов с электропередачей и гидропередачей можно заметить, что у серийных локомотивов его значения отличаются в незначительной степени. При этом значения коэффициента использования мощности опытных тепловозов с гидропередачей (ТП06 и ТГП50) значительно ниже, чем у серийных локомотивов. Это объясняется недостаточной проработкой конструкции некоторых узлов и оборудования опытных локомотивов (к примеру, использование комплексных гидротрансформаторов на тепловозе ТГ106 с более низким КПД), несогласованностью характеристик дизеля и гидропередачи, завышенным расходом мощности на привод вспомогательного оборудования.
Основным недостатком гидравлической передачи является более низкий КПД по сравнению с электрической. На практике расход топлива зависит не только от КПД передачи, но также и от режимов работы дизеля и соответствия характеристик локомотива режимам его эксплуатации. Часть работы дизеля, затрачиваемая в гидротрансформаторе на преодоление гидравлического сопротивления, преобразуется в тепло, нагревающее масло. При трога-нии тепловоза с места энергия, превращаемая в тепло, составляет от 10 до 25 % энергии, вырабатываемой дизелем.
Тепловая энергия отводится с рабочей жидкостью гидропередачи в охлаждающее устройство. Таким образом, наиболее экономичный режим работы гидропередачи начинается с относительной скорости движения локомотива около 0,2 (рис. 10). При меньших скоростях движения гидропередача имеет увеличенные потери и более низкий КПД по сравнению с электрической передачей, так как гидротрансформаторы и гидромуфты имеют высокий КПД только в сравнительно узком диапазоне скоростей. Поэтому обеспечить высокие эксплуатационные качества на базе только одного гидроаппарата невозможно.
Количество используемых гидроаппаратов в гидропередаче определяет количество кругов циркуляции рабочей жидкости. Для расширения диапазона скоростей работы гидропередач применяют двух- и трехциркуляционные схемы гидропередач. При этом возможны следующие варианты:
[топ]> двухциркуляционная с гидротрансформатором и гидромуфтой (ТГМ23А);
двухциркуляционная с двумя гидротрансформаторами (ТГМ40, ТГМЗБ, ТГ105, ТГ106, ТГ102);
трехциркуляционная с двумя гидротрансформаторами и гидромуфтой (ТГ102К, ТГМЗА, ТГМ6);
трехциркуляционная с тремя гидротрансформаторами (ТГП50);
> трехциркуляционная с гидротрансформатором и двумя гидромуфтами (ТГМ1, ТГМ23).
На тепловозах отечественного и зарубежного производства гидропередачи с одним кругом циркуляции не применяются. Многопоточные гидравлические передачи не нашли широкого применения на тепловозах и были выполнены в единичных экземплярах компаниями «Voith» и «Кгирр» (Германия). В передачах такого типа к каждой движущей оси тепловоза мощность передается через отдельные гидротрансформаторы. Существенным признаком многопоточной гидропередачи является независимость вращения выходных валов гидропередачи.
К многопоточным передачам мощности также относятся гидромеханические передачи, в которых мощность передается двумя потоками через гидроаппараты и механическую зубчатую планетарную передачу. Передачи такого типа применялись на маломощных тепловозах промышленного транспорта (ТГМЗ, ТГК2, ТГМ2), а также на магистральном тепловозе ТГ100. Гидромеханические передачи имеют более высокий КПД по сравнению с гидродинамическими, но наличие жесткой связи колесных пар с дизелем не обеспечивает полного использования мощности дизеля.
Основная причина низкой надежности гидравлической передачи — наличие реверсивного механизма, не обеспечивающего заданной надежности при интенсивной эксплуатации. Шлицевые валы, промежуточные шестерни, обязательное наличие механизма доворота вала для безударного зацепления шлицевого вала затрудняло реверсирование локомотива и усложняло конструкцию гидропередачи. Решением проблемы явилось создание гидрореверсивных передач, в которых для каждого направления движения имеется свой комплект гидроаппаратов.
Процесс реверсирования осуществляется простым опорожнением одного аппарата и наполнением другого. При этом не требуется даже полной остановки локомотива. Наполняемый гидротрансформатор осуществляет функции гидродинамического тормоза. Он преобразует кинетическую энергию в тепловую, которая отводится с маслом в охлаждающее устройство. Гидрореверсивные передачи позволили резко упростить конструкцию передачи в целом, в несколько раз повысить надежность работы и снизить трудоемкость технического обслуживания по сравнению с гидропередачами с реверсивными механизмами.
Лидером в производстве тяговых гидропередач в настоящее время является холдинг «Voith Turbo» (подразделение немецкого концерна «Voith AG»). Специализировавшаяся ранее на производстве силовых гидравлических приводов компания «Voith Turbo» стала производить собственные локомотивы с гидропередачами двух серий — Maxima и Gravita. Тепловозы серии Maxima 40СС и Maxima ЗОСС предназначены для магистральной грузовой и пассажирской служб, а серии Gravita 20ВВ(15ВВ, 10ВВ) — для маневрово-вывозной работы.
Тепловозы Maxima 40СС (рис. 11) и Maxima ЗОСС оборудованы гидрореверсивными передачами с электронным управлением и двумя гидротрансформаторами для каждого направления движения. В табл. 2 приводятся основные характеристики магистральных тепловозов Maxima ЗОСС и Maxima 40СС. Технологии, применяемые в конструкции тяговой гидропередачи фирмы «Voith Turbo», позволяют достичь ее высокой долговечности, атакже низких расходов на обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации. Время наработки между капитальными ремонтами составляет около 30 тыс. моточасов.
Таким образом, применение новейших технологий в производстве тяговых гидропередач позволит создать локомотив для магистральной и маневрово-вывозной работы с более низкой себестоимостью производства, если сравнивать с тепловозами с электропередачей, длительным жизненным циклом и меньшими затратами на эксплуатацию и ремонт.
Групповой привод колесных пар тепловоза с гидравлической передачей снизит склонность к боксованию и улучшит тяговые возможности при вождении поездов критического веса. Применение гидрореверсивных передач позволит резко уменьшить износ тормозных колодок и сократить время на реверсирование локомотива посредством заполнения гидротрансформатора противохода еще во время движения.
Инж.
Д.Н. ЯЦКОВ, г. Москва
