Рождение идеи
В начале XIX века известный французский физик и математик Сади Карно сформулировал теоретическую идею о том, что можно создать двигатель, в котором воспламенение топлива будет происходить за счет его быстрого сжатия. По мнению теоретика, такой двигатель оказался бы намного экономичнее, чем система принудительного поджигания горючего.
В 1892 году Рудольф Дизель получил патент, а в 1897 году представил вариант двигателя внутреннего сгорания, который был назван его именем. Первый дизель имел мощность 20 л. с., его коэффициент полезного действия превышал коэффициент полезного действия паровых машин и не зависел от размеров двигателя. Очень экономичный, компактный, удобный и простой по устройству, дизель быстро получил широкое распространение, в том числе и на транспорте. Однако идея, как это часто бывало в истории, опередила свое время.
В последующие 20 – 30 лет дизельные двигатели из - за несовершенства технологий того времени использовали только на стационарных объектах (промышленное оборудование) и морские суда.
В сердце дизеля
В цилиндр (отрезок толстостенной трубы из жаропрочной стали), закрытый с одной стороны мощной цилиндровой крышкой, а с другой — поршнем, впрыскивается дизельное топливо в плотную среду уже накаченного в камеру сгорания воздуха. Впрыск осуществляется форсункой (она вставляется в проем в цилиндровой крышки под углом 30 градусов) под давлением 320 кг/см2, мельчайшие капли топлива перемешиваются с воздухом, образуя топливо-воздушную смесь. От сжатия, вызванного надвигающимся поршнем, температура топливной смеси повышается до критической, и происходит взрыв. Энергия расширяющихся при взрыве газов заставляет поршень двигаться из цилиндра и выполнять какую-либо работу.
Что внутри?
Цилиндровые втулки устанавливаются в круглые проемы блока (корпуса дизеля) и удерживаются в них благодаря своим опорным выступам. Внутри каждой втулки размещается поршень с шатуном. Верх цилиндровой втулки закрывается цилиндровой крышкой, вес которой достигает 80 кг.
Блок дизеля современного тепловоза имеет V – образную форму, если смотреть на него с торца. Восемь цилиндровых втулок заводятся в проемы с одной стороны блока и восемь с другой. В цилиндровые втулки заводятся поршни с шатунами.
Энергию взрыва в полезную работу!
Два поршня устанавливаются на верхние проушины основного и прицепного шатунов. Поршни воспримут взрыв газов и со скоростью 10 м/с полетят, направляемые стенками цилиндровых втулок заставляя провернуться коленвал, шейку которого обхватил шатун.
Коленчатый вал преобразует прямолинейное движение поршней во вращательное движение. Для обеспечения устойчивого положения он размещен в нижней части блока на специальных опорах. Весом примерно 1700 кг и длиной около 6 метров, такая конструкция, находясь под давлением шатунно-поршневой группы, может погнуться или сломаться. Поэтому для надежной опоры коленвал разделили на 10 коротких участков, которые называются коренными шейками. Эти коренные шейки выполняют роль опор для коленчатого вала. Участки, к которым крепятся шатуны с поршнями, называются шатунными шейками, их восемь.
Тепловоз – везущий от тепла
Развитие тепловозостроения активно происходило во всех странах, и его история довольно внушительна. Кратко остановимся на России. В 1924 году в Ленинграде был создан магистральный тепловоз ГЭ1 (Щэл1) системы Я. М. Гаккеля мощностью 1000 л. с. с электрической передачей. В ноябре 1924 года тепловоз вышел на железнодорожную магистраль, а в январе 1925 года прибыл в Москву.
К коленвалу, крутящемуся от энергии газов, передаваемой поршнями, присоединен генератор. При вращении подвижной части генератора (ротора) вырабатывается ток и по силовым кабелям поступает в электрические двигатели, установленные на каждой колесной паре тепловоза. Двигатель внутреннего сгорания (дизель) не имеет механической связи с колесными парами. Энергия крутящего момента передается на колесные пары через силовые кабеля и это называется электрической передачей.
Откуда ноги растут
Колес, как таковых, у локомотива нет. Есть два колеса из особо прочной стали, жестко связанных осью, и такую конструкцию называют колесной парой. На секции современного тепловоза — шесть колесных пар.
Чтобы электрический двигатель передавал на колесную пару вращающий момент, их скомпоновали в один узел, получивший название колесно-моторный блок (КМБ).
Три колесно-моторных блока объединены сварной рамой. Две продольные балки коробчатого типа (пустотелые, сваренные из листов стали) с приваренными к ним четырьмя поперечными балками образуют раму тележки. К раме крепится все необходимое оборудование, включая три тяговых двигателя с тремя колесными парами.
Кузов тепловоза ставят на главную раму, а затем на две тележки. Есть кузов усиленной конструкции, его называют «несущим». Такой кузов в главной раме не нуждается; его ставят сразу на две тележки.
Пробуждение богатыря.
На тепловозе есть мощная аккумуляторная батарея. Она обеспечивает электричеством тепловоз для различных нужд (освещение, питание радиостанции, работу электрического оборудования), когда дизель заглушен. Однако основная функция аккумуляторной батареи — запуск дизеля.
Чтобы запустить дизель, машинист нажимает кнопку «пуск», и аккумуляторная батарея подключается к электрическому двигателю, который называется «стартер-генератор».
Стартер-генератор начинает вращать коленвал, поршень поднимается в цилиндре к крышке, сжимая поступивший в цилиндры воздух. От сжатия температура воздуха поднимается до 500–700 градусов по Цельсию, и в это время в камеру сгорания впрыскивается дизельное топливо. За его подачу отвечают топливный насос высокого давления и форсунка.
Через девять отверстий диаметром 0,35 мм под давлением 320 кг/см2 топливо заходит в камеру сгорания в туманообразном состоянии, соприкасается с горячим воздухом и самовоспламеняется. Поршни с шатунами начинают вращать коленвал благодаря подаваемому топливу, без помощи стартер-генератора, питание электродвигателя отключается.
Происходит интересная вещь: электродвигатель, который при запуске раскручивал коленвал, теперь получает вращение своей подвижной части от уже запущенного коленвала и начинает вырабатывать электричество для нужд тепловоза, заодно заряжая ослабшую аккумуляторную батарею.
Поехали!
Он сказал: «Поехали!» Но не всё так просто. Прежде чем тепловоз выедет из депо на станцию, где его заждались поезда, необходимо залить в бак 7 тонн дизельного топлива. Сложно сказать, на сколько его хватит, всё зависит от производственной необходимости; в среднем — на двое суток.
От 900 до 1500 литров воды необходимо залить в водяную систему, чтобы под давлением двух водяных насосов вода циркулировала по всем участкам двигателя, нуждающимся в охлаждении. 2000 кг песка засыпают в бункеры тепловоза. Во время движения песок подаётся по трубопроводу под колесные пары нажатием педали для увеличения сцепления колес с рельсами. Особенно необходим песок в дождливую погоду. Если колесная пара потеряет сцепление, начнётся очень опасное явление - «боксование». Колесная пара потеряв сцепление с поверхностью рельса, увлекаемая вращением тягового двигателя, начинает неуправляемо увеличивать частоту вращения, что приведет к разрушениям.
В поддон дизеля заливается 1200 кг дизельного масла. Перед запуском электрическая помпа в течении 60 - 90 секунд прокачивает масло, загоняя его во все зазоры трущихся механизмов. Под давлением двух масляных насосов, масло циркулирует, когда дизель запустился.
В добрый путь!
Тепловоз осмотрен специалистами, в журнале поставлены все необходимые росписи, гарантирующие качество ремонта. Сделаны все отметки об экипировке тепловоза горюче-смазочными материалами, песком и водой.
Машинист переводит штурвал переключения скоростей в первое положение. У железнодорожников этот штурвал называют контроллером, а скорости – позициями. Происходят переключения, и тяговый генератор подает ток на тяговые электродвигатели, установленные на каждой колесной паре. 3060 лошадиных сил, спрятанные под кузовом тепловоза, плавно трогаются с места.
На дальнем плане кабины два крана машиниста (окрашены красным цветом). Слева – кран, управляющий торможением только локомотива (кран вспомогательного тормоза КВТ № 254). Правее – кран машиниста, управляющий торможением поезда (КМ № 395). Торможение осуществляется воздухом. А чтобы воздух всегда был «под рукой», в машинном отсеке, кроме дизеля, стоит и компрессор, который периодически накачивает воздух в специальные емкости.
Сверху на пульте управления очень серьезный прибор – КЛУБ (Комплексное Локомотивное Устройство Бдительности). В его обязанности входит:
1. Информировать машиниста о сигналах светофора, стоящего далеко впереди;
2. Информировать машиниста о скорости с которой движется поезд;
3. Информировать машиниста о разрешенной скорости на данном участке;
4. Не позволить уснуть или потерять бдительность;
5. Не позволить превысить скорость, разрешенную на данном участке;
6. Не позволить машинисту проехать запрещающее показание светофора;
7. Остановить поезд, если машинист потерял способность управлять поездом.
Оговорюсь, что я не смог описать и трети оборудования, обеспечивающего работу всех систем тепловоза. Прошу строго не оценивать содержание статьи специалистами, так как я ориентировался на читателя, далекого от железнодорожной техники, но тем не менее пытливого и любопытного.
В заключение обращу внимание читателей на наличие терминов, отмеченных снежинкой*, описание назначения которых можно будет встретить в следующих статьях, или информацию о них можно почерпнуть в наших коротких развивающих фильмах на нашем телеграм-канале «Михаил Михайлович о локомотивах» https://t.me/mihailsilko24 или в набирающем в последнее время популярность «Рутубе» «Михаил Михайлович о локомотивах» https://rutube.ru/channel/22129608/.
Приглашаем посмотреть более 50-ти коротких обучающих фильмов, посвященных назначению, устройству и принципу работы различных узлов и агрегатов тепловозов и электровозов. Отписаться никогда не поздно, так что заходите на наш канал))). До скорых встреч!