Усовершенствование конструкции базового локомотива

ВВЕДЕНИЕ

Стремление к повышению скоростей движения на железных дорогах Украины, являющегося важным условием роста провозной способности требует внедрения новых типов тягового подвижного состава. В настоящее время значительная часть и грузовых перевозок на железных дорогах Украины осуществляется на тепловозной тяге. При этом следует отметить что большая часть тепловозного парка Укрзализныци имеет значительный моральный и физический износ. Очевидно, что закрепление и развитие, безусловно, положительной тенденции повышения скорости сообщений может быть обеспечено лишь при наличии современного тепловоза, соответствующего следующим требованиям:

высокий уровень безопасности;

высокий уровень эксплуатационной надежности;

благоприятное соотношение цены и мощности;

приемлемые расходы на техническое обслуживание.

Практика эксплуатации тягового подвижного состава во всем мире показывает, что наиболее выгодно использование локомотивов, которые спроектированы с ориентацией на конкретные условия эксплуатации: род службы, параметры состава, скорость, профиль пути, климатические условия. Требуемые характеристики локомотива во многом зависят от конструкции силовой установки, тягового привода и ходовой части - определяющих его тягово-энергетические показатели, надежность и приемлемые показатели взаимодействиия с верхним строением пути. Таким образом, целью данного дипломного проекта является разработка концептуального проекта перспективного грузового тепловоза, выбор конструкции его силовой установки и ходовой части на основании анализа современных конструкций. Расчет параметров дизеля тепловоза.

1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ СОВРЕМЕННЫХ ТЕПЛОВОЗОВ

На рубеже XXI века в определенной степени прояснилось, какие тенденции будут определять развитие тепловозного парка железных дорог мира. На примере некоторых серий тепловозов, освоенных ведущими локомотивостроительными компаниями и практически готовых к широкому внедрению, можно проследить и пути совершенствования основных агрегатов и конструктивных узлов на ближайшую перспективу. Наиболее характерными в этом отношении являются магистральные тепловозы АС 6000 компании General Electric (GE), SD90MAC отделения Electro Motive компании General Motors (EMD GM), Blue Tiger компаний Adtranz и GE, тепловоз серии 2016 - Hercules компании Siemens.

.1 Тепловоз АС 6000

выпускает тепловозы более 30 лет и постоянно совершенствует их. Еще в 1985 г. появился локомотив с двумя трехосными тележками, имевший улучшенные тягово-эксплуатационные характеристики, повышенную надежность и топливную экономичность, уменьшенные затраты на ремонт и техническое обслуживание. Улучшение характеристик достигнуто в результате увеличения мощности дизеля, генератора и тяговых двигателей, а также оптимизации работы тягового привода с помощью микропроцессорной системы управления, обеспечившей гибкое регулирование с лучшим использованием коэффициента сцепления при тяге и торможении. Надежность повышена благодаря уменьшению числа деталей и появлению возможности выявления и устранения перегрузок. Электронное регулирование впрыска снизило потребление топлива. Важным этапом явилось создание тепловоза АС 6000 мощностью 6250 л. с., работы над которым были начаты в 1991 г., а первые локомотивы введены в эксплуатацию в 1997 г.

Новый шестиосный тепловоз с двумя трехосными тележками имеет одну кабину управления и кузов капотного типа. В центральной части под рамой кузова закреплен топливный бак, сваренный из стального листа толщиной 16 мм. Дизель-генератор установлен на раме над топливным баком. V-образный дизель GE7HDL, разработанный с использованием опыта немецкой фирмы Motoren-Werke Mannheim (MWM), успешно работающей в этой области на протяжении нескольких десятилетий, отличается в лучшую сторону от прежнего типового GE7FDL, хотя число цилиндров и частота вращения остались неизменными (таблица). Он имеет два турбонагнетателя - по одному для каждого ряда цилиндров (турбонагнетатель - собственная разработка GE).

Дизель четырехтактный (что характерно для всех тепловозов GE), с литым чугунным блоком цилиндров и углом развала между рядами 45°. Он имеет четыре клапана на цилиндр, поршни со стальной головкой и алюминиевой юбкой, непосредственный впрыск, кулачковые валы по обе стороны блока, впускной и выпускной коллекторы, размещенные между рядами цилиндров. Применена электронная система управления впрыском, но возможна и механическая. Давление впрыска повышено до 1500 бар для лучшего распыления топлива и ускорения его сгорания. Индивидуальные топливные насосы высокого давления не имеют штанг толкателей, что уменьшает неравномерность подачи топлива по цилиндрам. Каждый ряд цилиндров оборудован отдельным промежуточным охладителем наддувочного воздуха.

Холодильник в системе охлаждения дизеля раздельный, вода после секций холодильника разделяется на два потока, причем часть ее возвращается в дизель, а остальная охлаждается до более низкой температуры и затем используется в промежуточных охладителях. Для повышения производительности в холодильнике установлены два вентилятора, хотя при работе дизеля на основных режимах, что занимает большую часть времени, достаточно одного.

Блок цилиндров целиком отлит из чугуна с шаровидным графитом, который примерно на 60 % прочнее легированного, использованного в блоке дизеля GE7-DL, и на 45 % повышает жесткость конструкции. Чугунные втулки цилиндров запрессованы в блок, их посадочные поверхности в верхней части блока расположены вблизи зоны действия максимальных сил. Сверху на втулку через стальную прокладку опирается цилиндровая крышка, притянутая к блоку стальными болтами. Чугунные цилиндровые крышки имеют одинаковый с блоком коэффициент теплового расширения. Стальная прокладка под цилиндровой крышкой не сообщается с каналами для охлаждающей жидкости, так что система охлаждения полностью защищена от загрязнения продуктами сгорания, а охлаждающая жидкость не может попасть в цилиндры дизеля. На каждую шатунную шейку кованого коленчатого вала опираются шатуны противоположных цилиндров. При этом улучшаются условия смазывания шатунных подшипников и становятся более равномерными нагрузки. Сварно-литой картер нового дизеля сделан вместительнее на 30 % для увеличения периодичности замены масла.

Тепловоз имеет шесть асинхронных тяговых двигателей GEB13 особо прочной конструкции. В продолжительном режиме каждый тяговый двигатель развивает силу тяги 123 кН при расчетном коэффициенте сцепления 0,4 без какой-либо опасности перегрева. Двигатели имеют опорно-осевое подвешивание на подшипниках с коническими роликами. Тяговый редуктор заполнен смазкой, которая используется также для подшипника тягового двигателя со стороны шестерни. Вал якоря тягового двигателя выполнен как одна деталь с шестерней, что устраняет возможность ее смещения. Охлаждающий воздух подается в двигатель со стороны шестерни для лучшего охлаждения наиболее нагруженного места и снижения сопротивления потоку воздуха на выходе. В асинхронном двигателе нет ни щеток, ни коллектора, поэтому ему нужен лишь минимальный уход. Смазку подшипников якоря меняют раз в год, уровень масла в тяговом редукторе проверяют раз в квартал.

Компрессор и вентиляторы охлаждения тяговых двигателей, шахты холодильника и модулей преобразовательно-инверторной установки приводятся в действие вспомогательными асинхронными электродвигателями, получающими питание от инвертора. Комплект инверторных модулей охлаждает воздух, предварительно очищенный фильтром. После модулей воздух охлаждает главный генератор. Оптимальный режим охлаждения дизеля и тягового электрооборудования обеспечивается плавным регулированием в зависимости от нагрузки. Дизель запускается главным генератором, получающим для этого питание от аккумуляторной батареи через один из инверторных модулей тяговых двигателей.

На тепловозе применено индивидуальное регулирование работы каждого тягового двигателя, получающего питание от отдельного инвертора, управляемого по напряжению. Это улучшило тяговые и тормозные характеристики локомотива, так как устранило влияние перераспределения осевых нагрузок. При групповом регулировании все тяговые двигатели одной тележки получают питание от одного инвертора, и их частота вращения должна быть одинаковой, что требует равенства диаметров колес. Это практически недостижимо, и на тяговый двигатель колесной пары с колесами наибольшего диаметра приходится максимальная нагрузка. При большой разнице диаметров и низком вращающем моменте один из двигателей может находиться даже в тормозном режиме. Если же применяются асинхронные тяговые двигатели с большим электрическим скольжением, допускается разница диаметров колес до 7 мм. Однако электрическое скольжение тяговых двигателей почти пропорционально снижает КПД тягового привода, мощность на тягу и поэтому нежелательно.

Индивидуальные инверторные модули позволяют снять ограничения по разнице диаметров колес, так как частотные характеристики для каждой колесной пары будут разными. Применение асинхронных тяговых двигателей с низким электрическим скольжением (в пределах 0,5%) улучшает мощностные характеристики и повышает топливную экономичность тепловоза. Индивидуальное регулирование способствует также повышению надежности локомотива. Выход из строя одного инверторного модуля или тягового двигателя приводит к уменьшению мощности тепловоза на 1/6, но в большинстве случаев рабочие характеристики при этом не ухудшаются, так как микропроцессорная система управления автоматически переводит его в режим работы на пяти исправных тяговых двигателях. При групповом регулировании подобная неисправность уменьшает мощность тепловоза в 2 раза.

В системе управления основными агрегатами тепловоза использованы несколько основных 32-разрядных и вспомогательных 16-разрядных микропроцессоров. Общая емкость памяти системы превышает 600 Мбайт. Компоненты системы соединены волоконно-оптическими кабелями, устраняющими электромагнитные помехи и шумовые сигналы.

.2 Тепловоз SD90MAC

Первые шестиосные тепловозы SD90MAC мощностью 6400 л.с., появившиеся на железных дорогах США в марте 1997 г., стали результатом работ, которые EMD GM вело с 1994 г. Главной целью было создание локомотива, способного заменить два наиболее распространенных тепловоза SD40-2 мощностью 3000 л. с. с очень надежным двухтактным дизелем, более 4700 ед. которых эксплуатируются в течение 25 лет.

Основным отличием нового тепловоза стал впервые примененный EMD GM четырехтактный дизель V265Y с турбонаддувом и охлаждением наддувочного воздуха. К работам над четырехтактным дизелем компания приступила в 1984 г., когда были изготовлены два опытных 16-цилиндровых двигателя мощностью 4500 л. с. Однако в результате их испытаний пришли к выводу, что довести их мощность до 6000 л. с. и улучшить характеристики нельзя. Кроме того, было необходимо учесть ужесточившиеся экологические требования и повысить надежность. Поэтому понадобился принципиально новый дизель.

Все конструктивные элементы нового дизеля рассчитывались по современной методике с применением компьютерного моделирования, проверялись на усталостную прочность и износостойкость. Два опытных дизеля прошли стендовые испытания, показавшие, что основные цели разработок достигнуты. За этим последовало трехмерное моделирование установки дизеля на тепловозе и рассмотрение вариантов компоновки оборудования. Лишь потом были построены восемь опытных тепловозов с новыми дизелями, которые направили в Центр транспортных технологий (ТТС) для испытаний, после чего некоторые из них передали в регулярную эксплуатацию.

Новый 16-цилиндровый V-образный дизель имеет частоту вращения 1000 об/мин, диаметр цилиндров 265 мм, ход поршня 300 мм и среднее эффективное давление 21,3 бар. Некоторые детали этого дизеля существенно отличаются от прежних конструкций. Картер изготовлен из чугуна повышенной пластичности, что увеличило его жесткость, вибростойкость и срок службы, и выполнен заедино с водяным коллектором и кронштейнами крепления турбонагнетателей. Стальной кованый коленчатый вал имеет уширенные коренные и шатунные шейки. На каждой шатунной шейке находятся два шатунных подшипника с увеличенной опорной поверхностью. Кулачковый вал, собранный из четырех секций, расположен по центральной продольной оси дизеля.

Составные поршни имеют патентованную стальную головку Thermoflo, улучшающую условия сгорания и уменьшающую расход топлива. Цилиндропоршневая группа каждого цилиндра выполнена с возможностью установки и демонтажа как единое целое, что было характерной особенностью двухтактных дизелей моделей 645 и 710. Применена электронная система управления впрыском. Новый дизель оборудован двумя турбонагнетателями - по одному на каждый ряд цилиндров. Переход на четырехтактный двигатель позволил отказаться от привода турбонагнетателя на низких позициях контроллера от коленчатого вала через редуктор. Теперь энергии выхлопных газов достаточно для работы турбонагнетателей на любом режиме дизеля. Система охлаждения дизеля заполнена пропиленгликолем, что позволяет надолго останавливать двигатель при низкой температуре окружающего воздуха. Кроме того, при последующем запуске расходуется меньше топлива.

Тепловоз опирается на две трехосные тележки, основной особенностью которых является способность колесных пар занимать радиальное положение при проследовании кривых. Это позволяет локомотивам с трехосными тележками беспрепятственно обращаться на линиях, где прежде могли работать только локомотивы с двухосными тележками. Испытания тепловоза в ТТС показали, что созданная в сотрудничестве с немецкой компанией Siemens компьютеризированная система управления оказалась эффективной. Сила тяги при трогании доведена до 900 кН. Один тепловоз SD90MAC на площадке вел поезд массой 11 400 т со скоростью 65 км/ч, для чего ранее нужны были четыре тепловоза SD40-2.

Тепловозы SD90MAC и SD70MAC (аналогичный, но меньшей мощности) имеют электрическую передачу переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями, также разработанную с участием Siemens. Первоначально такая электрическая передача была реализована с групповым регулированием тяговых двигателей, но потом перешли к индивидуальному, убедившись в его неоспоримых преимуществах.

Наряду с GE, EMD GM и MWM мощные и надежные тепловозные дизели может выпускать британская компания Ruston, имеющая в этой области более чем 50-летний опыт. Примером служит четырехтактный дизель RK270, имеющий диаметр цилиндра 270 мм и ход поршня 305 мм. Этот дизель при частоте вращения 900 об/мин развивает цилиндровую мощность 361 л. с., но при повышении частоты вращения до 1000 об/мин его мощность в 16-цилиндровом исполнении будет равна 7870 л. с.

1.3 Тепловоз Blue Tiger

Масса мощных шестиосных тепловозов достигает 192…195 т, осевая нагрузка превышает 30 т. Их можно эксплуатировать только на линиях с соответствующим верхним строением пути. Однако такой путь имеют далеко не все железные дороги, и эта ситуация сохранится в XXI в. Следовательно, для железных дорог многих стран нужны локомотивы с меньшей осевой нагрузкой. В начале 90-х годов европейская компания Adtranz и американская GE решили совместно создать семейство универсальных тепловозов нового поколения на основе последних достижений науки и техники с тем, чтобы путем непринципиальных модификаций можно было получить локомотив, приспособленный к различным условиям эксплуатации: в грузовом и пассажирском движении, на дорогах разной колеи, при различном состоянии пути.

При создании нового шестиосного тепловоза за Adtranz были разработка основной рамы и кузова, кабины управления с кондиционированием воздуха, тележек, сцепных устройств, тормозного оборудования, а также сборка и испытания локомотива. GE отвечала за разработку дизеля, систем подачи топлива и охлаждения, генератора, тяговых двигателей и иного электрооборудования, включая систему динамического торможения, электронной аппаратуры системы управления, в том числе дисплеев и программного обеспечения. Семейство тепловозов получило название Blue Tiger. В их конструкции использован модульный принцип, дающий возможность ускорить проектирование и изготовление в различных вариантах (кузовном или капотном), упростить ремонт и техническое обслуживание. В зависимости от условий работы на них предполагают устанавливать 8-, 12-, 16-цилиндровые дизели и использовать хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации технические решения и комплектующие изделия. Осевая нагрузка тепловоза может варьироваться от 18 до 25 т при полной массе 108…150 т, максимальная скорость от 120 до 200 км/ч при мощности дизеля 2200…4400 л. с. Электродинамический тормоз способен поглощать мощность от 1720 до 3720 кВт.

Первый демонстрационный тепловоз Blue Tiger с серийным обозначением DE-АС33С построен для колеи 1435 мм. Тепловоз опирается на две трехосные бесшкворневые тележки Henschel Flexifloat с односторонним расположением тяговых двигателей. В первой ступени рессорного подвешивания применены винтовые пружины и гидравлические гасители колебаний, во второй - пружины Flexicoil. Особенности этой тележки - высокие прочность и надежность, длительный срок службы. Межремонтный период для сварной рамы, которая не подвержена действию скручивающих сил, составляет 10 лет. Диаметр новых колес тепловоза 1067 мм. Буксы соединены с рамой тележки с минимумом сочленений. Силы тяги и торможения передаются наклонными штангами, закрепленными на тележке на уровне осей колесных пар, а на кузове на уровне сцепки, что обеспечивает максимальное использование коэффициента сцепления и ограничивает до 5% перераспределение осевых нагрузок. Тележка обладает хорошими и стабильно сохраняемыми динамическими характеристиками, обеспечивающими плавность хода даже на изношенном пути и снижение износа колес и рельсов.

Кузов имеет две расположенные по концам звуко- и виброзащищенные кабины управления с боковой и задней дверьми, а также капотную среднюю часть. В раму встроен топливный бак емкостью 5 м3. Длина тепловоза по буферным брусьям 22 м, максимальная ширина 2,8 м, высота 3,71 м. Масса полностью экипированного локомотива 108 т, осевая нагрузка 18 т. Сила тяги при трогании составляет 517 кН, в продолжительном режиме 452 кН. Максимальная скорость локомотива 120 км/ч.

Для тепловозов семейства Blue Tiger выбран дизель GE7-DL. Такие дизели успешно работают на более чем 15 тыс. тепловозов постройки GE, за последние 10 лет их удельный расход топлива снижен на 3,5 %, срок службы до капитального ремонта продлен на 60 %. На демонстрационном тепловозе установлен 12-цилиндровый дизель 7-DL12 мощностью 3300 л. с. Частота вращения дизеля на высшей (восьмой) позиции контроллера равна 1050 об/мин, на холостом ходу 440 об/мин. Для управления дизелем применена микропроцессорная система управления, регулирующая вращающий момент. Давление впрыска повышено. Это улучшило тяговые характеристики, уменьшило на 2% расход топлива и на 75% дымность выхлопных газов. В приводе компрессора и вентиляторов охлаждения использованы асинхронные электродвигатели.

Для тепловозов нового семейства разработана электрическая передача переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями, что позволило увеличить на 60 % силу тяги и на 56 % силу динамического торможения по сравнению с передачей постоянного тока при прочих неизменных параметрах. Коэффициент сцепления в расчетном режиме повышен до 35 %.

Генератор 5GMG199 прифланцован к дизелю. В общем корпусе этой синхронной машины фактически находятся два генератора - тяговый и вспомогательный, последний обеспечивает питание вспомогательных потребителей и зарядку аккумуляторной батареи.

У асинхронных тяговых двигателей GEB15A4 нет щеточно-коллекторного узла. Они практически не требуют ухода, кроме замены смазки, имеют высокую надежность и большой ресурс - 1,5 млн. км пробега между капитальными ремонтами. Все двигатели включены параллельно, их номинальное напряжение 1400 В. Каждый тяговый двигатель питается от отдельного инверторного преобразователя, состоящего из шести легко заменяемых установленных вертикально и охлаждаемых воздухом фазовых модулей массой 30 кг на запираемых тиристорах. Подвешивание тяговых двигателей опорно-осевое, моторно-осевые подшипники имеют конические ролики.

Управляет работой и обеспечивает защиту тягового и вспомогательного электрооборудования микропроцессорная система с цифровой передачей данных по волоконно-оптическим кабелям (для полной защиты от помех). В систему входят элементы контроля силы тяги каждой оси, самоадаптирующегося контроля и устранения боксования и юза, определения фактической скорости локомотива. Регулирование крутящего момента каждой оси осуществляется по цепочке инвертор-тяговый двигатель-колесо-рельс с учетом осевой нагрузки и коэффициента сцепления каждой колесной пары.

Основной служебный тормоз тепловоза электродинамический (реостатный), работающий до скорости 1 км/ч с автоматическим поддержанием тормозной силы на уровне, определяемом условиями сцепления. Тормозная система сохраняет 3/4 мощности при выходе из строя одного из резисторов и 5/6 при отказе одного из тяговых двигателей или инверторов. Окончательно останавливает поезд пневматический тормоз, управляемый отдельной компьютеризированной системой. Стояночный тормоз локомотива имеет пружинный привод.

Демонстрационный тепловоз прошел испытания на одной из железных дорог Германии со сложным планом и профилем и подтвердил расчетные характеристики. На участке с подъемом 40 ‰ в кривой радиусом 250 м локомотив взял с места поезд массой 1016 т, а при обратном следовании под уклон затормозил его только электродинамическим тормозом. Разработчики ожидают, что к концу нынешнего века будет заказано более 700 тепловозов нового поколения.

1.4 Тепловоз серии 2016 - Hercules

Тепловоз с электрической передачей, получивший серийное обозначение 2016 и название Herсules, предназначен для вождения пассажирских, в том числе челночных, а также грузовых поездов (рис. 2). Кроме того, локомотив подходит для смешанной эксплуатации, характеризующейся чередованием поездных и маневровых рейсов на сетях ÖВВ, железных дорог Германии (DBAG) и Словении (SZ).

Локомотивы серии 2016 в режиме кратной тяги управляются по системе многих единиц. Кроме того, возможна эксплуатация их в составе челночных поездов ÖВВ, имеющих вагоны с кабиной управления, а также с другим тяговым подвижным составом, оборудованным информационной шиной МСЖД в соответствии с концепцией дистанционного управления, принятой на сети ÖВВ. В перспективе локомотивы будут оборудованы также системой радиоуправления, предназначенной для производства маневровых работ. Техническая характеристика локомотива приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Техническая характеристика тепловоза серии 2016

В локомотиве есть два боковых прохода - для машиниста и для обслуживающего персонала депо. Первый напрямую соединяет две кабины управления. Из него машинист может попасть в любой из отсеков при выполнении мероприятий, необходимых для подготовки локомотива к поездке или выполняемых по ее завершении. Поперечный проход, соединяющий оба боковых, находится между отсеками электрооборудования и дизель-генератора. Под боковым проходом для обслуживающего персонала проложены воздушные трубопроводы, линии питания тяговых двигателей и кабель магистрали электроснабжения поезда. Под другим боковым проходом расположены линии питания вспомогательного оборудования, кабели систем управления и сигнализации, а также информационные шины. Благодаря такому пространственному разделению кабелей с большими токами и линий управления исключается их взаимное мешающее влияние.

При проектировании механической части тепловоза серии 2016 нужно было обеспечить: низкий уровень излучаемого шума; пониженное содержание вредных компонентов в выхлопных газах; высокую пассивную безопасность; удобство проведения технического обслуживания и ремонта; совершенствование технологических процессов изготовления компонентов оборудования и их монтажа.

Решению этих задач в большой степени способствовало использование модульного принципа. Были разработаны новые, компактные и готовые к монтажу модули, предварительно испытанные в заводских условиях. Благодаря этому сокращены затраты времени на сборку и выполнение ремонтных работ.

Благодаря использованию современных принципов конструирования, новых материалов и технологий удалось вскрыть большие резервы в области снижения уровня шумоизлучения и обеспечения удобства технического обслуживания. В качестве примера можно назвать панели боковых стенок сотовой конструкции, крепящиеся к каркасу. Дизель, являющийся основным источником шума, полностью экранирован. Несмотря на это, пути распространения шума, ориентированные прежде всего вдоль воздухоподводов, дополнительно снабжены кулисными глушителями, а эффективный звукопоглощающий материал стенок уменьшает уровень шума непосредственно в машинном отделении. Вредные выбросы дизеля снижены до минимума благодаря современной системе регулирования и повышенному давлению впрыска.

Форма лобовой части локомотива разработана компанией Siemens в тесном сотрудничестве с представителями ÖВВ на базе аэродинамических расчетов и в соответствии с заданной максимальной скоростью.

Каркас кабины состоит из трех основных частей: пол, боковые стенки с оконными и дверными проемами, а также задняя стенка с проемом для двери в машинное отделение являются частью сварного каркаса всего кузова; лобовая часть со скосами, образующими переходы к боковым стенкам, представляет отдельный сварной модуль, который крепится на болтах к каркасу кузова на этапе сборки; крыша кабины из пластика, армированного стекловолокном, и цельное лобовое стекло крепятся с помощью клея к лобовой части, смонтированной в окончательном положении.

Лобовая часть, несущую конструкцию которой образуют нижний, средний и верхний опоясывающие профили, а также скосы переходов к боковым стенкам, соединяется с каркасом кузова в жесткую стальную конструкцию. Она служит для восприятия всех основных нагрузок на кузов локомотива, в том числе аэродинамических сил, продольных, возникающих при наезде на препятствие, и изгибных, действующих при подъеме локомотива с одного конца.

Кузов имеет сварную конструкцию. Его рама выполнена из балок коробчатого сечения. Боковые продольные балки по концам соединены массивными буферными брусьями, а в промежутках - шкворневыми и дополнительными поперечными балками для установки дизеля. По продольной оси рамы проходит хребтовая балка коробчатого сечения, связанная со всеми поперечными. Она служит для восприятия сил тяги и торможения, передаваемых через шкворень, и распределения их между буферными брусьями. В центре кузова расположен дизель-генераторный агрегат, имеющий собственную опорную конструкцию. Места для строповки при подъеме находятся по концам локомотива под буферными брусьями и по бокам в зоне шкворневых балок.

Опорная конструкция дизель-генераторного агрегата, соединительные элементы модулей охлаждения, основания центрального блока электроники и стенда тормозного оборудования, а также консоли для крепления подкузовного оборудования являются интегрированными составными частями рамы.

Боковые стенки кабины управления и машинного отделения, а также задние стенки кабин управления являются несущими конструктивными элементами цельнометаллического кузова. Каркас боковых стенок машинного отделения представляет собой решетчатую конструкцию, которая во время окончательной сборки оклеивается алюминиевыми сотовыми панелями. Крышевые скосы соединяются между собой поперечными дугами, крепящимися с помощью болтов, и также образуют несущую конструкцию. Поперечные дуги являются составной частью перегородок машинного отделения. В машинном отделении основные компоненты оборудования расположены в основном по центру, поэтому слева и справа вдоль стен образуются два боковых прохода. Перегородки между отсеками в зоне боковых проходов имеют двери. Такая конструкция экранирует дизель, что значительно снижает уровень излучаемого шума.

Машинное отделение разделено противопожарными перегородками на три отсека, в одном из которых расположен дизель-генераторный агрегат, во втором система охлаждения дизеля и в третьем электрооборудование с центральным электронным блоком и стендом тормозной аппаратуры.

В дизельном отсеке кроме двигателя расположены системы для турбонаддува и охлаждения наддувочного воздуха, предварительного обогрева, гидростатический привод вентилятора системы охлаждения, глушитель шума, воздухоподвод для дизеля и частично генератор. За исключением глушителя шума все указанные агрегаты крепятся непосредственно к двигателю или связаны с ним.

Дизель типа MTU 16V 4000 R 41 модифицирован изготовителем по заданию компании Siemens Krauss-Maffei Lokomotiven.

Дизельный отсек вентилируется с помощью генератора, который забирает свежий приточный воздух из отсека электрооборудования. Через выходное вентиляционное окно генератора несколько нагретый воздух поступает в машинное отделение. Из зоны дизеля отработавший воздух удаляется вентилятором модуля холодильника. Он забирает воздух из дизельного отсека через окно в перегородке и выбрасывает наружу.

В холодильном отсеке размещен цельноблочный алюминиевый холодильник с расширительным баком для воды, вентилятором с гидростатическим приводом, уравнительным масляным резервуаром для гидросистем и глушителем. Холодильник поставляется в виде контейнера, являющегося полностью укомплектованным и готовым к эксплуатации модулем. Глушитель проходит через окно в перегородке дизельного отсека. Через него отработанный воздух удаляется из машинного отделения. Охлаждающий воздух поступает снаружи через решетки в боковых стенках. С выхода холодильника нагретый воздух удаляется через крышу с помощью вентилятора. Генератор через проем в перегородке частично выходит в отсек электрооборудования, где, кроме электрической, электронной и тормозной аппаратуры, размещается воздушный фильтр дизеля. В этот отсек воздух подается снаружи через две решетки и центробежный очиститель. Монтаж и демонтаж всех крупных агрегатов производится через крышу.

В отличие от других новых локомотивов, поставляемых на сеть ÖВВ, тепловоз серии 2016 имеет кабины с дверями, расположенными с двух сторон. Внутреннее оборудование кабины и концепцию размещения органов управления компания Siemens разрабатывала совместно с ÖBB. Пульт, спроектированный в соответствии с требованиями эргономики, расположен почти по центру кабины. Он содержит все элементы, необходимые для эксплуатации локомотива на сетях Австрии, Германии и Словении.

Электрически управляемые наружные зеркала для наблюдения за поездом и кнопка аварийного отключения в грибковом исполнении повышают уровень безопасности. Кабины оборудованы системой кондиционирования воздуха и имеют шумо- и теплоизоляцию. На задней стенке кабины закреплено откидное сиденье. Все окна изготовлены из триплекса, цельное лобовое стекло локомотива и зеркала имеют электрический обогрев.

Рама тележки сварена из балок коробчатого сечения: двух продольных, шкворневой и двух концевых. Кузов опирается на тележку через пружины вторичного рессорного подвешивания, которые для уменьшения возвращающего момента используются в комбинации с подпятниками. С целью сведения к минимуму разгрузки колесных пар силы тяги и торможения передаются на кузов локомотива через низко расположенный шкворень тележки. Упор, интегрированный в резинометаллический упругий элемент, предохраняет шкворневой узел от повреждений. Для демпфирования колебаний в вертикальном и поперечном направлениях служат гидравлические гасители. Каждая тележка оборудована также двумя гасителями, демпфирующими колебания виляния, что способствует повышению плавности хода. Оси колесных пар выполнены полыми. Цельнокатаные колеса оснащены тормозными дисками. Буксовые узлы выполнены на цилиндрических роликоподшипниках. Корпуса букс соединены с рамой тележки треугольными поводками. В их конструкции использованы резинометаллические упругие элементы. Тележка опирается на буксы с помощью винтовых рессор типа Flexicoil.

Топливный бак и аккумуляторная батарея предварительно монтируются в заводских условиях в один модуль. Дополнительно в него интегрируются соответствующие компоненты топливной системы.

Сварной кожух модуля представляет собой самонесущую конструкцию. Он крепится в четырех местах к раме локомотива под кузовом. Вместимость топливного бака составляет 2500 л.

Тяговые приборы состоят из поглощающего аппарата с кольцевой пружиной, тягового крюка и винтовой сцепки. Ударные устройства, выполненные в виде буферов, могут быть пружинными или гидравлическими. Последние способны поглощать бóльшее количество энергии и по классификации МСЖД относятся к классу С.

Для восприятия сильных толчков при соударениях или наезде последовательно с буферами смонтированы сминаемые элементы, способные поглотить энергию удара до 1 МДж. Благодаря им снижаются нагрузки на основную конструкцию локомотива при столкновении на скорости до 40 км/ч.

Дизель MTU 16V 4000 R41 является четырехтактным двигателем с непосредственным впрыском Common-Rail, двухконтурной системой жидкостного охлаждения, газотурбинным наддувом и внешним охлаждением наддувочного воздуха. Система непосредственного впрыска Common-Rail обеспечивает высокое давление впрыска, оптимально регулируемого в соответствии с характеристиками двигателя.

При полной нагрузке дизеля удельный расход топлива составляет 195 г/кВт·ч, что отвечает требованиям инструкции ERRI 1997, нормирующей вредные выбросы. Дизель будет также отвечать требованиям разрабатываемой инструкции ERRI 2003, ориентированной на меньшие значения удельного расхода топлива.

Тяговый генератор, имеющий фланцевое соединение с дизелем, вырабатывает переменный трехфазный ток. Подключенный к нему выпрямитель на кремниевых диодах, соединенных в трехфазную мостовую схему, питает промежуточный контур постоянного напряжения. Последний обеспечивает питание трехфазного инвертора, к которому по параллельной схеме подключены четыре асинхронных тяговых двигателя трехфазного тока, а также однофазного инвертора, питающего магистраль электроснабжения поезда.

Трехфазный импульсный инвертор скомпонован из охлаждаемых водой фазовых модулей на запираемых тиристорах, которые широко используются на подвижном составе различных типов. Модули характеризуются высокой мощностью и компактной конструкцией. Один инвертор питает все четыре асинхронных тяговых двигателя трехфазным током, напряжение и частота которого регулируются. Асинхронные трехфазные тяговые двигатели типа 1ТВ24 с короткозамкнутым ротором имеют продолжительную мощность 410 кВт. Электрические и магнитные параметры выбраны таким образом, что двигатели обеспечивают необходимую мощность и имеют высокий КПД. Высокая тактовая частота тягового инвертора, а также использование в его системе регулирования оптимизированного импульсного алгоритма способствуют уменьшению тепловых потерь тяговых двигателей. Максимальное значение напряжения на зажимах двигателя в режиме тяги составляет 1872 В, крутящего момента - 6500 Н·м и частоты вращения - 3710 об/мин. Тепловоз серии 2016 является первым на сети ÖВВ локомотивом, где использована передача с полым валом. Речь идет о редукторе, корпус которого с зубчатым колесом, шестерней и подшипниками опирается на полую ось колесной пары, в то время как тяговый двигатель подрессорен системой первичного подвешивания. Крутящий момент от вала двигателя к шестерне редуктора передается с помощью стальной пластинчатой муфты, крепящейся на болтах. Это облегчает проведение ремонтных работ, так как позволяет быстро разъединять тяговый двигатель и редуктор. Основным преимуществом такой конструкции перед обычно использовавшейся на ÖВВ передачей с опорно-осевым подвешиванием является снижение неподрессоренных масс.

дизель кузов водомасляной теплообменник

2. КОНЦЕПЦИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО ТЕПЛОВОЗА

.1 Кузов и общая компоновка

В качестве базового кузова перспективного тепловоза, был выбран кузов тепловоза ТЭП 150. Основанием выбора такого базового варианта в первую очередь было то, что производство такого кузова находится в Украине на Луганском тепловозостроительном заводе. Во-вторых, конструкция кузова и технология его производства в достаточной степени отработаны, что было подтверждено испытаниями электровоза ТЭП 150.

Одним из основных достоинств такого кузова является его несущая конструкция, позволяющая существенно уменьшить общую массу тепловоза, не снижая показателей прочности, что особенно важно при использовании тепловоза в пассажирском движении.

Основное снижение массы кузова достигнуто благодаря максимальному использованию облегченных конструкций. Это стало возможным при использовании современных принципов конструирования, использованию в конструкциях более тонкого листового материала. Жесткость деталей из него повышали за счет отбортовки краев и штамповки гофров.

Лобовая часть кузова имеет улучшенную аэродинамическую форму в расчете на движение со скоростями до 200 км/ч.

К торцовым балкам нижней части кузова привариваются сминаемые защитные элементы, обеспечивающие защиту при столкновении с препятствием со скоростью до 15 км/ч или воздействии силы 300 кН.

Поскольку при проработке концепции тепловоза в основу был положен модульный принцип, конструкция кузова предусматривает его сборку из отдельных блоков - модулей, таких как: средняя часть кузова с главной рамой и автосцепками, кабины и переходные тамбуры. Путем стыковки модулей можно получить локомотив с одной кабиной и переходным тамбуром, с двумя кабинами и с двумя переходными тамбурами (бустерная секция). Кабины и переходные блоки не включаются в силовую схему несущей конструкции кузова.

Крыша над машинным отделением выполнена в виде единой сварной конструкции. При ее снятии возможен монтаж крупных агрегатов длиной до 6 м, в частности, дизель-генератора. Блоки инверторов, компрессор, двигатели вентиляторов охлаждения тяговых двигателей вынимают через люки без снятия крыши.

Отсутствие второй кабины позволяет разместить компрессор и другие узлы тормозной системы в задней части локомотива, а блоки систем управления и контроля непосредственно рядом с кабиной. Это позволяет уменьшить протяженность, упростить монтаж и обслуживание модулей соединительных шин. Кроме указанных преимуществ, такое размещение оборудования позволяет снизить до минимума уровень шума и вибрации в кабине.

Забор воздуха для дизеля и охлаждения тяговых двигателей производится через фильтры расположенные в крышевых секциях кузова и закрытых жалюзи с целью уменьшения попадания пыли.

Таким образом, концепция кузова перспективного тепловоза предусматривает использование модульного принципа сборки, применение легких конструкционных материалов, несущую конструкцию кузова, применение аэродинамической формы, использование защитных элементов, удобство компоновки узлов и систем, комфортные условия работы локомотивной бригады.

2.2 Тяговый привод

Характеристики локомотива во многом зависят от типа тягового привода, определяющего тягово-энергетические показатели, надежность и взаимодействие локомотива с верхним строением пути.

Следует отметить, что до настоящего времени на отечественном тяговом подвижном составе применялись тяговые приводы на базе тяговых двигателей постоянного тока, имеющих низкие удельные показатели и ненадежных в эксплуатации.

Тенденция перехода к использованию приводов на базе трехфазных асинхронных тяговых двигателей делает необходимым пересмотр свойств тяговых приводов именно с позиции применения асинхронного двигателя.

Привод с опорно-осевой подвеской тягового двигателя постоянного тока имеет неподрессоренную массу до 6000кг, при этом мощность двигателя может составлять 400-500 кВт для тепловозов и 600-700 кВт для электровозов, при опорно-рамной подвеске тягового двигателя его мощность может быть повышена до 850 кВт. Применение асинхронных тяговых двигателей позволяет довести осевую мощность до 1400-1600 кВт.

Применение в приводе асинхронного тягового двигателя с мощностью на уровне двигателя постоянного тока, позволяет использовать такие его достоинства как: 1) высокие показатели удельной мощности по сравнению с двигателем постоянного тока (для двигателя постоянного тока этот показатель составляет 0,2-0,3 кВт/кг, для асинхронного - 0,4-0,7 кВт/кг; 2) высокая надежность; 3) минимум затрат на обслуживание.

Рассмотрим это на примере расчета колесно-моторного блока локомотива с асинхронными тяговым приводом и опорно-осевой подвеской предназначенного для тяги десятивагонного пассажирского поезда массой 700 т. с максимальной скоростью 160 км/ч. Критериями при этом будут: массо-габаритные показатели, мощность тягового двигателя и воздействие на путь. Расчет проводится по общепринятым методикам изложенным в.

. Касательная сила тяги локомотива равна сопротивлению движению поезда заданной массы на расчетном режиме:

,

где  - масса поезда, т; - ускорение свободного падения, - удельное сопротивление движению цельнометаллического пассажирского вагона, Н/кН; - дополнительное сопротивление при движении по расчетному подъему; - расчетная скорость ( км/ч); - масса приходящаяся на одну ось вагона, т.

. Приняв сцепной вес определяем силу сцепления локомотива в расчетном режиме

где  - коэффициент сцепления при движении с расчетной скоростью.

. Расчетная касательная мощность локомотива при работе в установившемся режиме составляет:

Для дальнейшего расчета мощность тягового двигателя принимается т.е. примерно равной мощности двигателя постоянного тока.

. Наибольший возможный диаметр делительной окружности зубчатого колеса

где - диаметр колес; - клиренс; - расстояние от наружной стенки кожуха до делительной окружности.

. Выбираем число зубьев шестерни  и модуль зацепления , исходя из рекомендаций приведенных в [8, 9].

Централь передачи:

.

. Внутренний диаметр расточки остова равен:

где - диаметр наружной обоймы моторно-осевого подшипника.

. Внешний диаметр статора

. Частота вращения двигателя в номинальном режиме:

. Длину сердечника якоря рассчитаем по формуле:

где  - коэффициент полюсного перекрытия;  - индукция в рабочем зазоре;  - линейная нагрузка якоря.

Исходя из длины сердечника примем общую осевую длину двигателя Осевой габарит тягового редуктора принимаем как в большинстве приводов с опорно-осевой подвеской тягового двигателя.

По полученным геометрическим параметрам построим схему привода с асинхронным тяговым двигателем, заштрихованной областью покажем габариты привода эквивалентной мощности с тяговым двигателем постоянного тока.

Рис. 2.1 - Габариты колесно-моторного блока с асинхронным двигателем и двигателем постоянного тока (заштрихованная область).

Как видно на рис. 2.1 при одинаковой мощности, асинхронный тяговый двигатель имеет меньший монтажный объем, чем двигатель постоянного тока.

Масса асинхронного тягового двигателя с данными габаритами вычисляется по приближенной формуле:

где  - толщина стенки литого остова.

Масса колесной пары с буксовыми узлами и корпусом тягового редуктора составляет порядка 3500 кг. Если учесть что при опорно-осевой подвеске около 2/3 массы тягового двигателя остается неподрессоренной, то суммарная неподрессоренная масса колесно-моторного блока с асинхронным тяговым двигателем составляет 4000-4200 кг, что на 1500-2000 кг меньше чем для привода с двигателем постоянного тока.

Таким образом, использование асинхронного тягового двигателя позволяет скомпоновать механическую часть опорно-осевого привода таким образом, чтобы: 1) улучшить условия работы трансмиссии привода; 2) в целях снижения неподрессоренной массы применить колеса меньшего диаметра; 3) найти оптимальную установку тягового двигателя с точки зрения минимизации воздействия на него динамических сил и моментов.

2.3 Дизель

Дизельная тяга остается доминирующей на магистральных железных дорогах многих стран, так как целесообразнее всего сжигать ископаемое топливо в дизеле, особенно когда этот первичный двигатель с высоким КПД используется совместно с эффективным движителем - стальными колесами на стальных рельсах. Здесь имеет значение не только низкая цена дизельного топлива, но и способность дизеля более эффективно использовать рабочий объем цилиндров.

Для сравнения энергетической эффективности двигателей используется показатель "удельный расход топлива", т. е. количество потребляемого топлива для выработки единицы механической работы. Ранее этот показатель измерялся в г/л. с. ч (например, удельный расход топлива тепловозами BR серий 37 и 50 составлял 170 г/л. с. ч при полной нагрузке, т. е. был вполне конкурентоспособным для того времени), в настоящее время чаще пользуются размерностью г/кВт*ч.

Испытания тепловозных дизелей на энергетическую эффективность проведенные в Великобритании показали следующее. Удельный расход топлива тепловоза серии 37 составляет 228 г/кВт*ч. Тепловоз серии 59, используемый для вождения поездов с железной рудой, имеет удельный расход топлива около 220 г/кВт*ч, хотя для двухтактных дизелей компании General Motors характерен несколько меньший КПД - недостаток, в принципе, неустранимый. На скоростных дизель-поездах серии IС125 сначала устанавливали дизели компании Paxman Valenta с удельным расходом топлива 225 г/кВт*ч, соответствующие техническому уровню конца 60-х годов, затем стали устанавливать новые дизели 12VP185 того же изготовителя, имевшие большую мощность и сниженный удельный расход топлива (200 г/кВт*ч).

Именно эта величина является как бы порогом между экономичным и неэкономичным дизельным подвижным составом. Так, к первой категории можно отнести тепловоз серии 60. Установленный на нем дизель компании Mirrlees по удельному расходу топлива, составляющему 189 г/кВт*ч, является одним из самых экономичных в мире.

Потребление топлива входит важной составляющей в общую сумму расходов на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт тепловоза в расчете на весь срок службы (LCC). Малый расход топлива дизелем Mirrlees обусловливает LCC тепловоза серии 60 примерно в 40 млн. ф. ст. Но низкий LCC зависит не только от топливной экономичности - этот дизель к тому же имеет в 2 раза меньше цилиндров и, соответственно, меньшее число движущихся деталей по сравнению с сопоставимыми по основным параметрам дизелями других типов, чем объясняются более низкие затраты на техническое обслуживание и ремонт.

Вместе с тем указанных преимуществ недостаточно, чтобы тепловоз был оптимален со всех точек зрения. Тепловозы серии 60 оказались более подходящими для BR, чем серии 59, поскольку предлагали больше эксплуатационных возможностей при меньших суммарных затратах. Однако высокая топливная экономичность дизеля этих тепловозов была достигнута ценой того, что он стал слишком тяжелым. Применение такого громоздкого дизеля в габаритных условиях BR требовало от компании Brush Traction полного пересмотра конструкции тепловоза для облегчения его механической части. Кроме того, восьмицилиндровый дизель Mirrlees имел мощность всего 3100 л. с.

Столь же значимым является показатель "удельная мощность", который выражается в отношении мощности дизеля к его массе и измеряется в кВт/кг. Однако в последнее время одним из важнейших показателей стала также цилиндровая мощность дизеля. Классическим примером прогресса в этом отношении является гамма дизелей RK/V компании English Electric. Первые образцы 16-цилиндровых дизелей этой гаммы имели цилиндровую мощность 75 кВт (100 л. с.), но уже при освоении выпуска тепловозов серии 56 цилиндровая мощность достигла 151 кВт (203 л. с.) при том же числе цилиндров, т. е. за 30 лет мощность этого дизеля удалось повысить в 2 раза. Когда в 1983 г. началась постройка тепловозов серии 58, цилиндровая мощность их 12-цилиндровых дизелей составила уже 205 кВт (275 л. с.), а общая мощность 2460 кВт (3300 л. с.).

В последующие годы улучшение характеристик тепловозных дизелей продолжалось. За счет внедрения более эффективных турбонагнетателей и импульсных систем выхлопа мощность удалось повысить еще больше. Диаметр цилиндров дизеля был увеличен с классических 254 мм (10 дюймов) до 270 мм, и цилиндровая мощность дизеля той же гаммы, получившего обозначение RK270, возросла до 288 кВт (400 л. с.).

Поскольку размеры и масса нового дизеля по сравнению с дизелем тепловоза серии 58 увеличились незначительно, стало возможным оснастить тепловоз серии Super 60 V-образным 12-цилиндровым дизелем мощностью 4750 л.с. Ранее одним из основных препятствий для оснащения тепловозов двигателями высокой мощности были осложнения при установке холодильника, обусловленные габаритными ограничениями. Однако современные холодильники, как и сами дизели, имеют более высокий КПД, кроме того, от дизеля необходимо отбирать меньшее количество тепла, поэтому тепловоз такой мощности вполне возможен.

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДИЗЕЛЯ

3.1 Техническая характеристика дизель-генератора 10ЧН26/27

Дизель - генератор 10ЧН26/27 при модернизации устанавливается в кузове тепловоза на амортизаторах и обеспечивает возможность обслуживания и соединения систем дизеля с системами тепловоза применением переходных деталей и сборочных единиц.

Дизель - генератор 10ЧН26/27 состоит из дизеля и синхронного генератора, смонтированных на поддизельной раме и соединенных между собой эластичной муфтой.

Дизель 4-тактный, нереверсивный, со струйным смесеобразованием, газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха. Характеристики дизель - генератора 10ЧН26/27 приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Технические характеристики дизеля 10ЧН26/27

3.2 Исходные данные для расчета

Исходные данные принимаем исходя из опытных данных по внешнему тепловому балансу двигателей мощностного ряда размерности 26/27:

QТ+QВФ = Qe+QВ+QМ+QНВ+QВГ+Qост;

или в долях от подведенного тепла с топливом:

1+qВФ = +qВ+qМ+qНВ+qВГ+qост;

QТ - теплота внесенная топливом при сгорании:

где: - удельный расход топлива, ;

- полная мощность, ;

- низшая теплота сгорания топлива, ;

;

qВФ - доля физической теплоты внесенной с воздухом:

;

где: - расход воздуха по характеристике

турбокомпрессора ТК18С-21 при , ;

- весовая теплоемкость воздуха, ;

- температура воздуха после компрессора, ;

;

где: - температура воздуха на входе в

турбокомпрессор, ;

- степень повышения давления в компрессоре;

- К.П.Д. компрессора;

;

- эффективный К.П.Д. дизеля:

;

- доля теплоты, уносимая выхлопными газами:

;

где: - температура выхлопных газов в выпускном

коллекторе (перед турбиной), ;

- часовой расход топлива, ;

- средняя массовая удельная теплоемкость

выхлопных газов, ;

;

Количество тепла, отводимое водой основной системы:

;

где: - доля тепла отводимого в систему

охлаждения дизеля;

Для дизеля имеющего ; согласно данным, приведенным в источнике [12], =%;

;

Расход воды в системе охлаждения дизеля:

;

где:  - плотность воды при температуре воды на выходе из дизеля ;

;

- перепад температур воды на входе и

выходе из дизеля ;

;

Расчетная производительность насоса:

;

где: - коэффициент запаса ;

По характеристике водяного насоса приведенной в источнике [12], расход воды 95 м3/ч получается (при увеличении передаточного числа привода с 2,345 до 2,592) при напоре 1,6 кгс/см2.

Потерю напора в системе охлаждения дизеля (между входом и выходом из него) с учетом данных по испытаниям дизеля 12Д70 (12ЧН 24/27) принимаем равной 0,7 кгс/см2.

Количество тепла отводимого маслом:

;

где: - доля тепла отводимого маслом.

С учетом того, что дизель 10ЧН26/27 имеет охлаждаемые поршни и данных по теплобалансовым испытаниям дизелей принимаем qМ = 7%, тогда:

.

На 10ЧН26/27 используются насосы для смазки дизеля и циркуляционный с одинаковой производительностью

,

принимаем расход масла , тогда:

.

Перепад температур масла на входе из водомасляного теплообменника составит:

.

С учетом данных по дизелям типа Д70 принимаются следующие значения давления масла после насоса:

·   после насоса для смазки дизеля - 6 кгс/см2;

·   после циркуляционного - 3 кгс/см2.

Количество тепла, отводимого от наддувочного воздуха ориентировочно определим по формуле:

;

где: - температура воздуха в ресивере.

Приняв разницу между температурой воды на входе в охладитель наддувочного воздуха  и температурой воздуха в ресивере равной , получим что при , температура воздуха в ресивере , тогда:

.

Доля тепла, отведенного от охлаждающего воздуха:

.

Расход воды необходимой для охлаждения воздуха:

;

где: -

плотность воды при ;

- перепад температуры воды на

воздухоохладителе (принимаем );

.

Расчетная производительность насоса:

.

Принимаем .

Величину напора насоса по характеристике ориентировочно принимаем равной 1,8 кгс/см2.

Суммарное сопротивление охлаждающих устройств дополнительной системы принимаем 0,6 кгс/см2.

Общий теплоотвод в воду дополнительной системы от масла и воздуха составляет:

.

Остаточная доля теплового баланса:

следовательно .

Полученные данные по теплообмену сведены в таблицу 3.2, из которой следует, что штатный холодильник тепловоза обеспечит потребные теплосъемы с введением охлаждения наддувочного воздуха. Данные представлены в сравнении с тепловозом М62, с дизелем 14Д40 (12ДН 23/30).

Таблица 3.2 Данные по теплообмену дизеля

3.3 Основные показателей охлаждающего устройства тепловоза с дизелем 10ЧН26/27

Холодильник тепловоза выполнен по двухконтурной схеме. В первом контуре, состоящем из блока радиаторных секций в количестве 15 шт., охлаждается вода дизеля. Во втором контуре, также состоящем из блока с 15 шт. радиаторных секций, охлаждается вода предназначенная для охлаждения масла в водомасляном теплообменнике. В обоих контурах прокачка воды производится соответственно двумя центробежными насосами производительностью каждый 75 м3/ч, с приводом от коленчатого вала дизеля. В холодильной камере установлен один осевой вентилятор типа УК-2М с гидроприводом от коленчатого вала.

В первом контуре охлаждения рассеивается около 600000 ккал/ч или 698 кВт. Вода из дизеля поступает в блок радиаторных секций с температурой 75-80 , перепад температур по радиаторным секциям составляет примерно 8 . Во втором контуре рассеивается 340000 ккал/ч или 395 кВт. Температура масла на входе в дизель составляет 60-70 , производительность масляного насоса составляет 56 м3/ч, перепад температур масла составляет примерно 13 .

Суммарное количество теплоты, рассеиваемое в холодильной камере, составляет 940000 ккал/ч или 1093 кВт.

На тепловозе применяют радиаторные секции типа ВС-12. Секция имеет поверхность охлаждения с воздушной стороны (оребренная поверхность) 29,5 м2, со стороны жидкости 3,04 м2, ширину фронта - 0,154 м, рабочую длину - 1,206 м, живое сечение для прохода воздуха - 0,149 м2 и для жидкости - 0,00132 м2. Осевой вентилятор холодильной камеры имеет диаметр колеса 1600 мм, число лопастей - 8, окружную скорость 117 м/с, производительность 41,3 м3/с при частоте вращения 1395 об/мин. Потребляемая мощность 58,4 кВт.

3.4 Определение условий использования холодильной камеры тепловоза

В дизеле 10ЧН26/27 (Ne=1470 кВт, n=750 об/мин) при температуре окружающего воздуха +40 удельный эффективный расход топлива ниже примерно на 20%, общий отвод тепла в систему охлаждения на 192000 ккал/ч (224 кВт) меньше, чем у дизеля 14Д40, что в немалой степени обусловлено промежуточным охлаждением наддувочного воздуха и более высоким механическим К.П.Д. у дизеля 10ЧН26/27. Если учесть, что на тепловозе М62 в штатном исполнении (т.е. при установке дизеля 14Д40), как показывает приведенный выше проверочный расчет, холодильная камера при температуре окружающего воздуха +40 имеет достаточный запас по теплорассеивающей способности, то вполне очевидно, что при замене дизеля 14Д40 дизелем 10ЧН26/27 этот запас должен увеличиться. Однако, с целью обоснованного распределения радиаторных секций по контурам водяного охлаждения и дальнейшей оценки затрат мощности на привод вентилятора целесообразно выполнить теплотехнический расчет холодильника по приведенной ниже методике.

Методика расчета

Исходные данные:

·   количество теплоты Q, выделяемое двигателем;

·   производительность насоса VВ.Н., осуществляющего циркуляцию теплоносителя;

максимально допустимая температура охлаждаемой жидкости  при выходе из двигателя;

температура окружающей среды ;

·   расход охлаждаемой воды VВ;

·   производительность вентилятора Vвент;

Порядок расчета

- определяется рациональный режим течения

теплоносителей в принятых охлаждающих секциях данного контура охлаждения: скорость воды Uводы и массовая скорость воздуха Uвозд;

по скорости воды и массовой скорости воздуха определяют коэффициент теплопередачи КТ;

определяют количество радиаторных секций холодильника воды соответствующее принятой скорости течения воды:

количество секций z, необходимых для обеспечения температуры воды при входе в холодильник , при температуре воздуха  определяется методом последовательных приближений.

второе приближение

.

Для нового значения  и принятого ранее  находим z2.

для полученного числа секций z2 проверяем температуру воды при выходе из двигателя  для первого контура, после охладителя наддувочного воздуха (ОНВ) и водомасляного теплообменника:

где: .

Расчет блока радиаторных секций 1-го контура водяного охлаждения

Исходные данные:

QВ = 406000 ккал/час (472 кВт), производительность водяного насоса VВ.Н.= 83 м3/час, максимально допустимая температура на выходе из двигателя (вход в радиаторные секции) ) t1воды = 850С, температура окружающего воздуха t0 = 400С.

Скорость воды в радиаторной секции принимаем Uводы = 1 м/с, массовую скорость атмосферного воздуха Uвозд = 10,6 кг/м2с, коэффициент теплопередачи КТ = 75 ккал/м2чК.

Расчет

Количество радиаторных секций, соответствующее принятой скорости течения воды:

Количество секций, необходимое для обеспечения температуры воды при входе в радиаторные секции t1воды = 850С, при температуре окружающего воздуха t0 = 400С:

Второе приближение:

;

По U1воды и Uвозд находим коэффициент теплопередачи

КТ = 85 ккал/м2чК = 98 Вт/м2К.

При таких параметрах количество секций составит:

Принимаем количество секций z = 10, при этом

Uводы = 1 м/с и КТ = 82 ккал/м2чК.

Для принятого количества секций z = 10 проверяем температуру воды на выходе из дизеля

,

где:

Тогда

,

т.е. на 100С ниже, чем максимально допустимая температура воды на выходе из дизеля при использовании 10 секций. Это и предопределяет значительный запас по теплорассеивающей способности 1-го контура водяного охлаждения.

Расчет блока радиаторных секций 2-го контура водяного охлаждения

Исходные данные:

Вода после блока радиаторных секций поступает в охладитель наддувочного воздуха, а затем в водомасляный теплообменник.

QМ = 217000 ккал/ч (252 кВт), Qвозд = 125000 ккал/ч (145 кВт) при GS = 2,41 кг/с, t0 = 400С, tК = 1350С, pК = 2,1, tS = 750С.

Q2 = QM + Qвозд = 342000 ккал/ч.

Расход воды во 2-ом контуре V2 = 64 м3/ч.

Максимально допустимая температура на входе в блок радиаторных секций при температуре окружающего воздуха 400С, t1воды = 700С. Скорость воды принимаем Uводы = 1,3 м/с. Коэффициент теплопередачи при заданной Uводы и Uвозд определяется по графику рис. 34 [12] - КТ = 77 ккал/м2чК.

Количество радиаторных секций z, соответствующее принятой скорости течения воды

.

Количество секций z’, необходимое для обеспечения температуры воды на входе в радиаторные секции 700С при температуре окружающего воздуха 400С

Принимаем z=10 секций, при Uводы=1,3 м/с и КТ=77 ккал/м2чК. Для этого количества секций проверим температуру воды на выходе из водомасляного теплообменника (т.е. на входе в блок радиаторных секций 2-го контура водяного охлаждения).

Температура воды практически не отличается от максимально допустимой температуры воды на входе в блок радиаторных секций 2-го контура водяного охлаждения. Теплорассеивающая способность холодильной камеры тепловоза М62 существенно выше (в каждом блоке по 15 радиаторных секций), чем это требуется при замене дизеля 14Д40 на 10ЧН26/27.

В процессе эксплуатации, вследствие загрязнения, происходит снижение теплорассеивающей способности радиаторных секций. Поэтому устанавливается «запас» в размере 15-20%, для компенсации потерь. С учетом этого в 1-й контур охлаждения следует включить 12 радиаторных секций, а во 2-ой контур 14 секций. Таким образом целесообразно использовать полностью штатную холодильную камеру тепловоза М62. Это обеспечит в условиях эксплуатации снижение продолжительности работы вентилятора холодильной камеры. Учитывая, что до 6-6,5% мощности дизеля может быть израсходовано на привод вентилятора холодильной камеры, снижение продолжительности его работы приведет к сокращению эксплуатационного расхода топлива.

3.5 Расчет охладителя наддувочного воздуха дизеля

Расчет охладителя наддувочного воздуха выполнен при температуре окружающей среды t=400C. Исходные данные для расчета представим в виде таблицы 3.3.

Таблица 3.3

Исходные данные для расчета охладителя наддувочного воздуха

Тепловой расчет

1. Поверхность охладителя со стороны наддувочного воздуха

1. Сечение входа в охладитель

где F1=0,518 м2/м2 - живое сечение 1 м2 охладителя;

qa=1 - число ходов воздуха в охладителе.

1. Средняя температура воздуха

1. Количество тепла, отдаваемое воздухом охлаждающей воде

1. Температура воды на выходе из охладителя

1. Весовая скорость воздуха

где Ку=1,02 - коэффициент утечки воздуха.

1. Удельный вес воздуха

где R=29,27 кгм/кг0К - газовая постоянная.

1. Линейная скорость воздуха

. Число Рейнольдса для потока воздуха

где  - динамическая вязкость воздуха при tср.

. Критерий Нуссельта по воздуху.

где l0=0,785мм - шаг пятки по наружному диаметру;

h=7мм - высота оребрения.

. Коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре

.

. Конвективный коэффициент теплоотдачи

.

. Коэффициент теплового сопротивления проволочного оребрения

где

где lм=0,375 кВт/м0С - коэффициент теплопроводности меди;

d0=0,0005 м - диаметр проволочного оребрения.

. Приведенный коэффициент теплоотдачи.

где fор=0,242 м2/м - поверхность проволочного оребрения, приходящаяся на 1 погонный метр трубки.

. Площадь сечения одной трубки для прохода воды.

. Сечение трубок для прохода воды

17. Скорость воды в трубках

где к=3 - число ходов воды.

. Число Рейнольдса для воды.

. Число Прандтля при средней температуре воды.

где lж=0,572 ккал/мч0С - коэффициент теплопроводности воды при средней температуре.

. Коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны охладителя.

21. Коэффициент теплопередачи.

где fом=0,0314 м2 - внутренняя поверхность трубки омываемая водой на одном погонном метре

. Средняя логарифмическая разность температур

23. Теоретически необходимая площадь охлаждения

. Коэффициент запаса

25. Критерий Эйлера для воздуха

. Падение напора по воздуху

Расчет охладителя наддувочного воздуха показал, что воздухоохладитель с такими параметрами обеспечит необходимое охлаждение воздуха, не оказывая значительного сопротивления.

3.6 Проверочный расчет водомасляного теплообменника тепловоза

Расчет выполнен по штатному исполнению водомасляного теплообменника на параметры теплоотвода двигателя 10ЧН 26/27. Исходные данные для расчета представлены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Исходные данные для расчета водомасляного теплообменника

Расчет средних температур охлаждающих жидкостей:

1. Температура масла на выходе из теплообменника

.

1. Температура воды на выходе из теплообменника

.

1. Средняя температура масла

.

1. Средняя температура воды

.

Физические параметры жидкостей при средней температуре представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 Физические параметры жидкостей

Тепловой расчет

1. Скорость охлаждающей воды в трубках

.

. Коэффициент теплоотдачи от стенок трубок к охлаждающей воде

.

3.   Шаг разбивки трубок по треугольнику

.

4.   Скорость движения масла принимаем WM=2,9 м/с.

5. Живое сечение для прохода масла

.

. Площадь сегмента перегородки

.

. Коэффициент b

.

. Коэффициент b’

.

. Хорда сегментной перегородки

.

. Ширина усредненного сечения для прохода масла при WM=2,9 м/с

.

. Число Рейнольдса для масла при средней температуре

.

. Отношение диаметра расточки корпуса к расстоянию между перегородками

.

. Коэффициент b1

.

. Критерий Прандтля для масла при средней температуре

.

. Коэффициент b2

.

. Принимаем температуру стенок труб

.

. Число Прандтля для масла при tW=750C, PrW=425.

. Коэффициент теплоотдачи от масла к стенкам труб

.

. Температура стенок труб полученная расчетом

.

. Коэффициент теплоотдачи от масла к воде

.

. Коэффициент, учитывающий погрешность расчета h=0,9.

. Расчетный коэффициент теплопередачи

.

. Среднелогарифмическая разность температур

.

. Количество тепла, отводимое от масла (теплосъем)

.

. Запас по теплосъему

.

Проверочный расчет водомасляного теплообменника

показал, что поверхность охлаждения имеет достаточный запас по теплосъему и обеспечит надежную работу дизеля, следовательно, при модернизации тепловоза установкой дизеля 10ЧН26/27, может быть использован штатный теплообменник.

3.7 Расчет среднеэксплуатационного расхода топлива

Расчет среднеэксплуатационного расхода топлива выполнен с использованием зависимостей расхода топлива по тепловозным характеристикам.

Среднеэксплуатационный расход топлива определен по формуле:

,

где Вчхх(кг/ч) - часовой расход топлива на холостом ходу,

(%) - время работы дизеля на холостом ходу,

i - текущая позиция контроллера,

Gei(г/л.с.*ч) - удельный эффективный расход топлива на i-ом режиме мощности,

Nei(л.с.) - эффективная мощность дизеля на i-ом режиме работы, соответствующем i-й позиции контроллера машиниста (ПКМ),

(%) - продолжительность работы дизеля на i-й ПКМ.

В таблице 4.5.1 приведены - время работы на i-й позиции, мощность и расходы топлива дизелей 14Д40 и 10ЧН26/27.

Таблица 3.6 Bремя работы на i-й позиции, мощность и расходы топлива дизелей 14Д40 и 10ЧН26/27.

* В знаменателе приведен расход топлива на холостом ходу

Режимы работы тепловозов М62 приняты по данным «Методических указаний по определению влияния вредных выбросов от тепловозов на состояние атмосферного воздуха в районах железнодорожных станций и узлов».

В результате расчета среднеэксплуатационные расходы топлива составляют:

Д40 - 203,8 г/л.с.*ч.

ЧН26/27 - 164,4 г/л.с.*ч.

Процент экономии топлива:

.

Таким образом, применение дизеля 10ЧН26/27 экономически оправдано, так как приведет к значительной экономии топлива во время эксплуатации.

4. Экономическое обоснование производства нового тепловоза

.1 Расчет себестоимости и цены спроектированного тепловоза

Себестоимость тепловоза на стадии проектирования, может быть рассчитана укрупненным методом на основании нормативно-справочных данных по базовому тепловозу, собранных во время прохождения преддипломной практики, с учетом конструктивных изменений, выполненных в процессе разработки спецзадания.

Конструкция нового тепловоза разработана на базе тепловоза производства Луганского тепловозостроительного завода (Украина). Исходные данные по базовому и спроектированному тепловозам приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1. - Исходные данные

Себестоимость нового тепловоза, может быть определена путем корректировки затрат на производство базового, по формуле:

где Сб- себестоимость базового тепловоза, грн.

- увеличение (снижение) себестоимости базового тепловоза вследствие конструктивных изменений, проведенных в нем в процессе проектирования нового тепловоза и разработке спецзадания, грн.;

i - число разработчиков комплексного дипломного проекта, чел.

В дипломном проекте выполнены следующие изменения в конструкции базового тепловоза:

а) замена тягового двигателя постоянного тока на асинхронный двигатель;

б) замена одноступенчатого рессорного подвешивания двухступенчатым.

Изменение себестоимости можно определить по формуле:

 т.грн.

где: , - себестоимость соответственно вводимых и изъятых деталей и сборочных единиц.

В результате конструкционных разработок себестоимость базового тепловоза снизится на 120 т.грн.

т.грн.

При рентабельности ρ производства на заводе равном 10%, прибыль на один тепловоз составит:

т.грн.

где - процент рентабельности к себестоимости.

Цена производства нового тепловоза составит:

 т.грн.

Налог на добавленную стоимость (НДС):

 т.грн;

%НДС - налог на добавленную стоимость, %

Цена продажи (отпускная):

 т.грн.

В таблице 4.2 приведена калькуляция себестоимости cпроектированного тепловоза, рассчитанная в соответствии со структурой затрат на заводе-изготовителе базового тепловоза.

Таблица 4.2. - Калькуляция себестоимости проектируемого тепловоза

4.2 Определение безубыточности производства

Условно-переменные затраты на одно изделие (Зпер), и условно-постоянные затраты на годовой выпуск (Зпост).

Условно - переменные затраты на одно изделие определяются по формуле:

 т.грн;

где:  - затраты на сырье и материалы;

- затраты на покупные полуфабрикаты комплектующие изделия;

- затраты на топливо и энергию на технологические цели;

Зосн, ЗД - соответственно основная и дополнительная заработная плата производственных рабочих;

ОСП - отчисления на социальное страхование;

РСЭО - расходы по содержанию и эксплуатации оборудования.

Условно - постоянные затраты на годовой выпуск определяется по формуле:

 грн/год.

Построение графика безубыточности производства (рис. 4.1) выполняется следующим образом. На оси ординат откладываются затраты (выручки), на оси абсцисс - выпуск изделий в шт. Затем на оси ординат откладываем величину Зпост. От точки АГ на оси абсцисс откладываем ординату, равную полной себестоимости годового выпуска (СГ) - точка В.

 т.грн.

Через точки Зпост и  проводим прямую, которая отражает зависимость себестоимости годовой программы от годового выпуска продукции в натуральном выражении СГ=f(Аі). Далее от точки АГ откладываем ординату, равную объему продаж Вр - точка Д.

 т.грн.

Соединив начало координат с точкой Д, получаем зависимость годового объёма продаж от количества проданных изделий Вр=f(Аі). Точка пересечения прямых С соответствует годовому выпуску Акр, при котором происходит достижение безубыточности производства и реализации продукции.

 шт.

Рис.4.1 - График достижения безубыточности производства

4.3 Определение экономического эффекта от производства новых тепловозов

Решение о целесообразности создания новой техники принимается на основе расчета экономического эффекта.

Расчет экономического эффекта от внедрения нового изделия выполняется в сравнении с заменяемым им изделием аналогичного назначения. Снижение при этом затрат у потребителя характеризует при этом конкурентоспособность нового изделия на рынках сбыта.

В условиях перехода к рыночной экономике, когда предприятия являются самостоятельным хозяйственным субъектом, оценка хозрасчетного экономического эффекта как полезного результата в денежном выражении осуществляется в отдельности для изготовителя и потребителя новой продукции.

Чистая прибыль у изготовителя может быть рассчитана по формуле:

,

где  - выручка от реализации продукции в t-ом году, т.грн;

 - себестоимость годового выпуска тепловозов в t-ом году, шт;

- общая сумма налогов и выплат из балансовой прибыли в t-ом году, т.грн.

Величину  определяем по формуле:

,

где  - цена реализации изделия в t-ом году, грн/шт;

т.грн

- объем реализации в t-ом году, шт ().

т.грн

где  - объем выпуска в t-ом году, шт;

т.грн.

Величина , общая сумма налогов и выплат из балансовой прибыли определяется так:

,

где  - фактическая величина НДС на одно изделие,грн.

т.грн/шт

 - налог на добавленную стоимость на материальные затраты, грн.;

Нпрф - фактическая величина налога на прибыль на одно изделие, при %Нпр=25% ,грн:

т.грн

 - фактическая величина прибыли на одно изделие, т.грн.,

т.грн

т.грн

т.грн

Выводы

Проведенные технико-экономические расчеты показали целостность создания и эксплуатации спроектированного тепловоза. Величина чистой прибыли у изготовителя при годовом выпуске 15 шт/год составит 9120,45 т.грн. Безубыточность производства достигается при выпуске 9 шт/год.

5. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

5.1 Общие вопросы охраны труда и окружающей среды

Охрана труда - это система правовых, социально-экономических, организационных, технических, санитарно-гигиенических, лечебно-профилактических мероприятий по созданию условий, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособность человека в процессе труда.

Полностью безопасных и безвредных производств не существует. Задача охраны труда - свести к минимуму вероятность поражения или заболевания работающего с одновременным обеспечением комфорта при максимальной производительности труда.

В данном разделе дипломного проекта рассматриваются вопросы охраны труда и окружающей среды при эксплуатации спроектированного тепловоза, то есть, рассмотрены вопросы безопасности труда локомотивной бригады.

Существуют опасные и вредные производственные факторы.

Опасным производственным фактором называется такой производственный фактор, воздействие которого на работающего в определённых условиях приводит к травме либо внезапному, резкому ухудшению здоровья, либо к летальному исходу.

Вредным производственным фактором называется такой производственный фактор, длительное воздействие которого на работающего в определённых условиях приводит к заболеванию или снижению работоспособности.

В процессе эксплуатации тепловоза, локомотивная бригада подвергается воздействию следующих факторов:

шум, создаваемый работающими дизельным двигателем и тяговыми электродвигателями;

вибрация, вызванная работой дизельного двигателя и тяговых электродвигателей, и толчки возникающие при прохождении тепловозом стыков и стрелочных переводов;

неблагоприятные параметры микроклимата;

недостаточная освещенность;

возможность падения с высоты;

вращающиеся узлы, детали, электрооборудование.

5.2 Параметры безопасности труда

Конструкция спроектированного тепловоза, обеспечивает безопасность локомотивных бригад и защиту от воздействия возникающих на тепловозе опасных производственных факторов.

Кабина машиниста расположена на тепловозе таким образом, что из нее обеспечивается видимость машинистом и его помощником, находящимся в положении сидя и стоя, пути следования, сигналов, а также видимость машинистом и его помощником в положении стоя вагонов при подъезде к составу.

Конструкция тепловоза обеспечивает удобный и безопасный доступ к агрегатам и механизмам, при его эксплуатации и техническом обслуживании.

Расположение и конструкция входных дверей кабины машиниста и кузова обеспечивает свободный вход и выход из тепловоза. Наружные входные двери открываются внутрь тамбура. Ручки наружных входных дверей имеют замкнутый контур. Высота проема входных дверей - 1780 мм, ширина проема 530 мм. На тепловозе имеются подножки и поручни для подъема к входной двери и протирки лобовой части. Нижние подножки установлены в крайнем нижнем положении согласно условию вписывания тепловоза в габарит подвижного состава. Шаг подножек по высоте составляет 400 мм, ширина подножек 300 мм. Диаметр поручня для подъема на локомотив составляет 30 мм. Зазор между поручнем и кузовом электровоза составляет 50 мм.

Тепловоз оборудован устройствами автоматической локомотивной сигнализации. В кабине машиниста установлен автостоп с устройствами проверки бдительности машиниста и контроля скорости движения поезда.

В кабине машиниста также установлена радиостанция, обеспечивающая связь между машинистом и поездным диспетчером. Пульт управления радиостанции установлен таким образом, что машинист может вести переговоры со своего рабочего места.

Тепловоз оборудован двумя звуковыми сигнальными устройствами - тифонами и свистками. На каждой лобовой части установлен тифон и свисток.

На обеих лобовых частях локомотива установлен прожектор и два сигнальных буферных фонаря.

В конструкции тепловоза предусмотрено наличие автоматического и ручного тормоза. Тепловоз имеет также вспомогательный тормоз и систему аварийно-экстренного торможения. Автоматические тормоза обеспечивают остановку поезда при разъединении или обрыве тормозной магистрали и открывании крана экстренного торможения.

Ручной тормоз удерживает поезд на уклоне 30 ‰. Штурвал ручного тормоза установлен в каждой кабине.

Тепловоз оборудован автосцепкой, на которой установлен ручной расцепной рычаг автосцепки.

Размеры кабины машиниста и размещение оборудования рассчитано на одновременное присутствие трех лиц: машиниста, помощника машиниста и машиниста-инструктора. В кабине оборудованы рабочие места: с правой стороны для машиниста, с левой для помощника машиниста. В кабине имеется сиденье для машиниста-инструктора.

Кабина машиниста, имеет следующие размеры:

 расстояние от задней стенки кабины до вертикальной плоскости задней стенки пульта управления, обращенной к машинисту составляет 1200 мм;

расстояние от пола до потолка составляет 2300 мм;

расстояние между креслом машиниста и боковой стенкой составляет 300 мм;

ширина проходов между сиденьем кресла машиниста в крайнем заднем положении и боковым краем пульта управления составляет 300 мм.

Кабина имеет остекление, обеспечивающее видимость пути следования и сигналов, соседних путей и составов. Лобовые окна кабины машиниста имеют безопасное полирование, механически прочное стекло по ГОСТ 5727-83. Верхняя крыша любого окна находится на расстоянии 1800 мм от уровня пола, нижняя кромка на расстоянии 1050 мм.

Любые окна оборудуются стеклоочистителями и стеклообогревателями. Для боковых окон кабины машиниста используется безопасное закаленное стекло по ГОСТ 5727-83. Перед боковыми окнами кабины установлены поворотные предохранительные щитки из закаленного стекла. Снаружи кабины машиниста со стороны машиниста и помощника установлены зеркала обзора состава.

Вращающиеся части тягового двигателя, вентиляторов, и другого оборудования, к которым возможен доступ обслуживающего персонала, имеют ограждение.

Компоновка агрегатов и элементов в машинном помещении обеспечивает безопасность локомотивной бригады при обслуживании. Ширина проходов в машинном помещении составляет 500 мм, высота проходов 1900 мм.

Конструкция настила пола машинного помещения обеспечивает безопасность прохода, не способствует скольжению. Машинное помещение оборудовано вентиляционными устройствами.

Наружное и внутреннее цветовое оформление выполнено в соответствии с ГОСТ 12.2896-76. Цветовое оформление агрегатов, влияющих на безопасность труда, соответствует ГОСТ 12.4.026-76. На лобовой части тепловоза имеются контрастные полосы, нанесенные дневной флуоресцирующей эмалью марки АС-554.

5.3 Гигиенические параметры

Основные органы управления движением тепловоза установлены на пульте управления в правой части кабины машиниста. Форма и конструкция пульта управления, размещение органов управления, средств отображения информации обеспечивают свободу движения верхних и нижних конечностей машиниста. Органы управления на пульте расположены на высоте 900 мм от пола.

Рукоятки контроллера машиниста и реверса расположены слева от машиниста. Кран машиниста и кран вспомогательного тормоза установлены с правой стороны пульта управления. Наиболее важные приборы - скоростемер, локомотивный светофор, манометры магистрали, амперметры и вольтметры силовой установки и электродвигателей расположены в оптимальной зоне информационного поля рабочего места машиниста. Кресла машиниста и помощника машиниста жестко прикреплены к полу кабины, а сиденья кресел вращаются на  вокруг вертикальной оси с обеспечением фиксации в рабочем положении. Кресла имеют стойку, сиденье, спинку и откидывающиеся подлокотники.

Кабина машиниста оборудована установками для обогрева и вентиляции. Также в кабине оборудована установка кондиционирования воздуха.

Коэффициент теплопередачи теплоизоляции кабины машиниста равен 2.25 . Микроклимат в кабине машиниста при закрытых окнах и дверях соответствует значениям, приведенным в таблице 5.1

Таблица 5.1 Параметры микроклимата в кабине машиниста

Кабина машиниста оборудована светильниками общего освещения, которые обеспечивают освещенность на уровне пульта управления 25лк. Для освещения скоростемера на рабочем месте машиниста установлен светильник местного освещения, обеспечивающий освещенность 10лк с его плавной регулировкой до 1лк. В дизельном помещении установлены светильники, обеспечивающие освещенность на полу проходов 5лк, а на вертикальной поверхности ограждений оборудования со стороны прохода на уровне 1м от пола 20лк.

В конструкции кабины машиниста предусмотрена термоизоляция. Двери, окна, места ввода в кабину трубопроводов, кабелей тщательно уплотнены с целью уменьшения возможности проникновения шумов из машинного помещения.

Таблица 5.2

Уровни звукового давления в кабине машиниста (ГОСТ 12.1.003 - 83)

Кабина машиниста отделена от дизельного двигателя и высоковольтной камеры звукоизолирующими перегородками. Данные перегородки состоят из стальных перфорированных листов, толщиной 1мм и шумоизоляционного материала. В качестве шумоизолирующего материала применен пенопласт перхлорвиниловый. Эластичный ПХВ-7 в сочетании с капроновой тканью ВТ-4. Определим звукоизолирующую способность перегородки (дБ) по следующей формуле:

где - звукоизолирующая способность стального листа;

- коэффициент звукопоглощения звукоизолирующего материала.

где поверхностная плоскость стального листа,

среднегеометрическая частота октавной частоты, Гц.

Результаты расчетов сводим в таблицу 5.3

Таблица 5.3

Вывод: Перегородка между дизельной установкой, высоковольтной камерой и кабиной машиниста имеет достаточно высокую звукоизолирующую способность.

Среднеквадратичные значения виброускорений  на рабочих местах локомотивной бригады не превышают допустимых значений  (ГОСТ 12.2.056 - 81) (табл. 5.4).

Таблица 5.4

На тепловозе установлено рессорное подвешивание. Кресла машиниста и помощника выполнены с жёсткой стойкой и мягкими сиденьями. Также имеются коврики.

В кабине машиниста тепловоза расположен шкафчик для хранения одежды и чемоданов. Размеры шкафа: высота 1200 мм, ширина 450 мм, глубина 300 мм. Также имеется шкафчик для хранения аптечки с набором медикаментов для оказания первой до врачебной помощи. На электровозе установлен холодильник для хранения продуктов питания локомотивной бригады емкостью 10 л. Тепловоз также оснащен умывальником и унитазом.

5.4 Пожарная безопасность

Причины возникновения пожаров на тепловозе:

короткие замыкания в электрооборудовании;

утечки топлива.

Противопожарное оборудование и мероприятия.

Для ликвидации возникшего пожара в тепловозе имеются огнетушители и противопожарный инвентарь: ведро, багор, ящик с песком, топор. Кроме того, машинное помещение тепловоза оборудовано установкой пожаротушения. В целом пожарная безопасность на тепловозе отвечает требованиям ГОСТ 12.1.004-85.

5.5 Охрана окружающей среды

Основным источником загрязнения атмосферы при работе подвижного состава являются отработанные газы тепловоза. Из отработавших газов выделяются 97-98% токсичных веществ от общей их эмиссии остающиеся 2-3% составляют картерные газы и испарения топлива.

Основное внимание при проектировании тепловоза направленно на совершенствование процесса горения топлива в цилиндрах с целью образования в них возможного минимума вредных отходов. При наивысшей температуре процесса происходит наибольшая эмиссия окислов азота, а их токсичность примерно в 10 раз превышает токсичность окиси углерода. Поэтому повышение степени сжатия и применение наддува сопровождается увеличением выброса окислов азота. В связи с этим в первую очередь разрабатываются меры, направленные на сокращение выброса дизелями окислов азота, как в части конструкции, так и в отношении надлежащей эксплуатации тепловоза. Существенно снижает объем окислов азота рециркуляция отработавших газов, то есть частичное направление их вместе с очередной порцией горючей смеси в цилиндры. При рециркуляции 1/3 отработавших газов примерно втрое снижается выделение окислов азота.

Также для уменьшения загрязнения окружающей среды все картеры и другие места , где возможно протекание, уплотняются.

Для уменьшения дымности дизелей применены специальные антидымные присадки к топливу. Добавление 0,5% присадки, снижают эмиссию сажи на 50-90%. В процессе эксплуатации тепловоза происходит загрязнение окружающей среды металлической пылью в результате интенсивного стирания чугунных тормозных колодок. Поэтому на тепловозе применяются колодки из композиционных материалов.

6. ГРАЖДАНСКАЯ ОБОРОНА

Гражданская оборона Украины - это государственная система органов управления, сил и средств для организации и обеспечения защиты населения от последствий чрезвычайных ситуаций техногенного, экологического, природного и военного характера.

Задачи Гражданской обороны следующие:

) Предупреждение возникновения чрезвычайных ситуаций техногенного характера и принятие мер для уменьшения ущерба и потерь при авариях, катастрофах, взрывах, больших пожарах и стихийных бедствий.

) Оповещение населения об угрозе и возникновении чрезвычайных ситуаций в мирное и военное время и постоянное информирование его об обстановке.

) Защита населения от последствий стихийных бедствий, аварий, катастроф, больших пожаров и средств поражения.

) Организация жизнеобеспечения населения во время аварий, катастроф, стихийных бедствий в мирное и военное время.

) Организация и проведение спасательных и других неотложных работ в районе бедствия и в местах поражения.

) Создание систем анализа и прогнозирование управления, оповещения и связи, наблюдения и контроля за радиоактивным загрязнением, химическим и биологическим заражением, поддержание их готовности для функционирования при чрезвычайных ситуациях мирного и военного времени.

) Подготовка и переподготовка руководящего состава Гражданской обороны, её органов управления и сил; обучения населения умению применять средства индивидуальной защиты и действию в чрезвычайных ситуациях.

В данном разделе рассматривается вопрос - силы и средства Гражданской обороны.

Силы Гражданской обороны создаются для защиты населения и территорий, предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.

Силами Гражданской обороны являются ее войска: специализированы и невоенизированные формирования.

Войска Гражданской обороны подчиняются руководителю центрального органа исполнительной власти по вопросам чрезвычайных ситуаций и дел защиты населения от последствий Чернобыльской катастрофы.

Войска Гражданской обороны (ГО) Украины.

Войска ГО Украины создаются соответственно Закону Украины “О войсках Гражданской обороны” и составляют ядро наиболее подготовленных и мобильных сил. Численность войск определяется с учетом потребности и особенностей района назначения.

К 1992 году части ГО входили в состав Вооруженных Сил и подчинялись министру обороны. 28.01.1992 г. постановлением Кабинета Министров Украины ”О войсках ГО части” ГО были подчинены штабу ГО Украины.

Основными заданиями войск ГО является:

проведение пиротехнических работ, связанных с ликвидацией взрывоопасных предметов;

участие в обороне Украины, защита ее суверенитета, территориальной целостности и неприкосновенности в пределах ее компетенции.

Деятельность войск ГО базируется на принципах:

обеспечение безопасности людей при проведении спасательных неотложных работ в условиях ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций ( ЧС);

поддержки экологической безопасности;

Войска ГО обязаны:

принимать участие в мероприятиях, направленных на предупреждение и ликвидацию последствий ЧС;

готовить силы и средства для предупреждения и ликвидации последствий ЧС;

проводить работы из санитарной обработки населения, специальной обработки техники и другого имущества, обеззараживания домов, сооружений и территорий;

обеспечивать население, что пострадало от последствий ЧС, продуктами, водой, предметами первой необходимости, временным жильем, а так же предоставлять медицинскую помощь;

осуществлять радиационную, химическую и бактериологическую разведку в очагах поражения, зонах заражения и катастрофического наводнения, а также на маршрутах к ним;

Комплектование войск осуществляется на основании Закона Украины “Об общей военной повинности и военной службе”, а также по контракту.

Специализированные формирования.

Специализированные формирования предназначены для выполнения специфических работ, связанных с радиационной и химической опасностью, значительными разрушениями в результате землетрясения, аварийными ситуациями на нефтедобывающих промыслах, проведение профилактических и восстановительных работ, в том числе и за пределами Украины.

Они создаются на трех уровнях подчиненности.

В центральных органах государственной власти специализированные формирования создаются решением Кабинета Министров Украины за представлением соответствующих министерств, ведомств, согласованных с министерством Украины по вопросам чрезвычайных ситуаций и по вопросам защиты населения от последствий Чернобыльской катастрофы.

На объектах ведения хозяйства, на которых предусмотрено обязательное наличие формирований, специализированные формирования создаются руководством субъектов ведения хозяйства при согласовании с органами управления Министерства Украины по вопросам чрезвычайных ситуаций и по вопросам защиты населения от последствий Чернобыльской катастрофы, которые уполномочены решать задание в сфере защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций.

Основным заданиями специализированных формирований есть:

ведение спасательных работ в очагах поражения и районах стихийного бедствия, как правило, при наличии радиоактивного загрязнения, химического заражения, других экстремальных условий;

проведения специфических работ при ликвидации последствий аварий, катастроф и последствий стихийного бедствия;

До центральных специализированных формирований относятся военизированные формирования, предназначенные для ведения аварийно-спасательных работ при ликвидации больших производственных аварий, в том числе при наличии сильно действующих ядовитых веществ (СДЯВ), а также последствиями пожаров и тому подобное.

До территориальных специализированных формирований относятся сведенные спасательные подразделы, предназначенные для проведения специфических работ, связанных с авариями техногенного и природного характера, а также для аварийно-обновительных работ на объектах ведения хозяйства.

Объектовые специализированные формирования создаются на объектах ведения хозяйства и состоят из специализированных подразделов, которые выполняют задание по ликвидации аварий, а также осуществляют аварийно-восстановительные работы в случае чрезвычайных ситуаций непосредственно по профилю данного предприятия.

До специализированных формирований и аварийных служб министерств и ведомств относятся:

аварийно-восстановительные формирования, восстановительные поезда, государственный аварийно-технический центр Государственного департамента по вопросам атомной энергетики, аварийно-восстановительные бригады в составе предприятий из обслуживания автодорог, объектов электросвязи, электроэнергетика, трубопроводного транспорта, коммунального и водяного транспорта;

формирования и службы противопожарной охраны;

служба медицины катастроф - государственная служба медицины катастроф (ГСМК).

Невоенизированные формирования.

Невоенизированные формирования (НФ) Гражданской обороны создаются в областях, районах, городах Киеве и Севастополе, на предприятиях, в учреждениях и организациях независимо от форм собственности и подчиненности в порядке, определенном Кабинетом МинистровУкраины.

В невоенизированные формирования Гражданской обороны засчитываются работоспособные граждане Украины, за исключением женщин, которые имеют детей в возрасте до восьми лет, женщин со средним и высшим медицинским образованием, которые имеют детей в возрасте до трех лет, и лиц, что имеют мобилизационные распоряжения.

Невоенизированные формирования - это группа рабочих и служащих объекта, которые объединены в отдельный подраздел, оснащенный специальной техникой и имуществом, без освобождения их от основной работы и предназначены для ведения неотложных работ при возникновении чрезвычайной ситуации.

Формирования могут быть общего назначения и обеспечения служб за подчиненностью - территориальные и объектовые.

Невоенизированные формирования общего назначения являются основными подразделами НФ ГО. Они создаются на территориях соответственно административно-территориальному делению Украины, на объектах ведения хозяйства и предназначены для поиска и спасения пострадавших в районах беды, предоставление им медицинской помощи, проведение спасательных работ, которые способствуют спасению людей, защиты их жизни и здоровья.

Организационно это могут быть отряды, команды, колонны, бригады, группы, отделения, посты. Они могут выполнять такие задания:

ведение разведки;

ведение медицинской разведки, предоставление медицинской помощи;

проведение противоэпидемических и санитарно - гигиенических мероприятий;

локализация и гашение пожаров;

ведение аварийно-технических работ на сетях и сооружениях коммунально-энергетического хозяйства;

проведения санитарной и специальной обработки людей, техники, имущества, а также территорий;

перевозки людей и материальных ценностей и т.д.

Территориальные невоенизированные формирования общего назначения создаются на базе предприятий и организаций областного, районного, городского подчинения, подчиняются начальникам Гражданской обороны соответствующих территорий и используются за их распоряжениями.

Территориальные НФ обеспечения создаются на базе предприятий, организаций и учреждений при наличии необходимых специалистов, материальных и технических мероприятий, которые подчиняются начальникам ГО этих административно-территориальных единиц.

Обеспечение формирований ГО техникой и имуществом осуществляется как централизовано, так и из местных ресурсов за счет объектов, на базе которых они создаются. Специальная техника и имущество находятся в постоянной готовности для использования по назначению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного анализа конструкций современных тепловозов, были выбраны основные направления для изменений направленных на усовершенствование конструкции базового локомотива.

Был разработан концептуальный проект магистрального пассажирского тепловоза для железных дорог Украины, имеющий усовершенствования экипажной части, силовой установки и тягового привода с точки зрения улучшения эксплуатационных характеристик.

Было предложено и обосновано применение тягового привода первого класса на базе асинхронных тяговых двигателей. Это позволило снизить габариты и массу тягового привода по сравнению с приводом на базе двигателей постоянного тока, а также сократить затраты на обслуживание и ремонт.

Проведен расчет параметров асинхронного тягового двигателя.

Также в работе было проведено экономическое обоснование эффективности производства нового тепловоза. Были рассмотрены вопросы охраны труда и гражданской обороны.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1.     Тепловоз М62. М. «Транспорт», 1977

2.      Тепловоз 2ТЭ10Л. Степанов В.Р. и др. М. «Транспорт», 1970

.        Тепловоз 2ТЭ116. Филонов С.П., Гибалов А.И., Быковский В.Е. и др. М. «Транспорт», 1985

.        Тепловозы: механическое оборудование, устройство и ремонт. Пойда А.А., Хуторянский Н.М., Кононов В.Е. М. «Транспорт», 1988

.        Тепловозы. Под ред. Панова Н.И. М. «Машиностроение», 1976

.        Тепловозные двигатели внутреннего сгорания. Симсон А.Э., Хомич А.З., Куриц А.А. и др. М. «Транспорт», 1987

.        Описание и инструкция по обслуживанию дизель-генератора ЗД100. М. «Транспорт», 1969

.        Тяга поездов. Бабичков А.Н., Егорченко В.С. М., 1962

.        Подвижной состав и основы тяги поездов. Борцов П.И., Валетов В.А., Кальперис П.И. и др. М. «Транспорт», 1983

.        Правила тяговых расчетов для поездной работы М. «Транспорт», 1985

.        Охлаждающие устройства тепловозов. Малинин, Черток и др. М., 1962

.        Закон Украины «Про цивільну оборону України» от 03.02.1993 р.

13.    Депутат А.П., Коваленко И.В., Мужик И.С. Гражданская оборона. Учебное пособие / Под ред. полковника В.С. Франчука. - Львов, Афиша, 2000-336с. ]

.        Охрана труда на железнодорожном транспорте. Справочник М.: «Транспорт», 1990

.        ГОСТ 12.2.056-81. ССБТ. Электровозы и тепловозы колеи 1520 мм. Требования безопасности.- Введ. 01.01.82

.        ГОСТ 12.1.003-83*. ССБТ. Шум. Общие требования безопасности.-Введ. 01.07.84