Тяговые передачи и подвешивание тяговых двигателей

Создать надежную и простую передачу вращающего момента от вала двигателя к оси колесной пары непросто. Основная трудность заключается в том, что передаточный механизм должен связать колесную пару с тяговым двигателем, закрепленным полностью или частично на надрессорном строении, которое при движении электровоза совершает колебания относительно колесных пар. Впервые такая передача была разработана для трамваев, вследствие чего и получила название трамвайной подвески, или, как ее еще называют, опорно-осевой. Принцип такой передачи использован и на отечественных электровозах.

При опорно-осевом подвешивании (рис. 123, а) двигатель опирается на ось колесной пары моторно-осевыми подшипниками, основание которых отлито как одно целое с остовом. Подшипники снаружи закрывают шапками (см. рис. 21). С противоположной стороны остова двигателя имеются выступы (носики), которыми двигатель опирается на подвижные балочки, размещаемые между выступами поперечных креплений рам тележки (рис. 123, б). Между балочками находятся предварительно сжатые пружины. Это устройство называется траверсой. Если остов двигателя опускается, то его выступ перемещает верхнюю балочку траверсы вниз по направляющим, и пружины, сжимаясь, стремятся вернуть двигатель в первоначальное положение. При перемещении двигателя вверх поднимается нижняя балочка и снова пружины стремятся возвратить двигатель в исходное положение.

Рис. 123. Траверсное опорно-осевое подвешивание тягового двигателя

Несколько по-иному осуществлено опорно-осевое подвешивание тяговых двигателей на восьмиосных электровозах некоторых новых серий (рис. 124). Здесь пружинная подвеска (см. рис. 123, б) заменена тягой, закрепленной шарнирно к брусу рамы тележки. На тяге имеется два резиновых блока с двумя металлическими шайбами.

Рис. 124. Маятниковое опорно-осевое подвешивание тягового двигателя

Между резиновыми блоками находится горизонтальная плоскость кронштейна, который наклонной плоскостью крепится к остову тягового двигателя. Резиновые блоки, как и пружинная подвеска, смягчают удары, приходящиеся на тяговый двигатель вследствие неровности пути при трогании с места, и компенсируют изменение взаимного положения двигателя и рамы тележки в процессе движения электровоза.

Опорно-осевое подвешивание обеспечивает неизменность расстояния между центрами вала двигателя и оси колесной пары. Это расстояние называют централью Ц (см. рис. 123, а). При передаче вращения от вала двигателя к колесной паре с помощью зубчатого редуктора благодаря неизменности централи создаются условия, обеспечивающие правильное зацепление зубчатых колес. Передача работает плавно, что обеспечивает долговечность зубчатых колес.

Применение зубчатой передачи позволяет использовать тяговые двигатели с высокой частотой вращения якоря. Редуктор состоит из малого зубчатого колеса, укрепленного на валу тягового двигателя, и большого зубчатого колеса, насаженного на ось колесной пары. Соотношение количества зубьев большого и малого колес называют передаточным числом. Применяя зубчатые передачи с разными передаточными числами, получают электровозы, рассчитанные на различные скорости движения. На пассажирских электровозах, обеспечивающих высокую скорость движения поездов, устанавливают редукторы с меньшим передаточным числом. На грузовых электровозах, которые должны развивать значительную силу тяги, применяются редукторы с большим передаточным числом.

При опорно-осевом подвешивании перемещение надрессорного строения относительно колесных пар неопасно, так как малое колесо зубчатой передачи может перекатываться вверх или вниз по большому колесу, не нарушая зацепления.

На электровозах чаще применяют не одностороннюю, а двустороннюю передачу, т. е. ставят редукторы с обеих сторон вала тягового двигателя. Это облегчает условия работы зубчатых колес, передающих большие усилия.

Однако при неправильной сборке одна пара шестерен может нагружаться больше, а другая меньше, что вызовет усиленный износ зубьев и моторно-осевых подшипников. Чтобы этого не произошло, на электровозах ВЛ19, ВЛ22, ВЛ22^М и первых электровозах ВЛ8 применяли упругую зубчатую передачу: зубчатый венец большого колеса соединяли с его центром пакетами пружин (рис. 125, а). В результате венец может упруго смещаться относительно центра, а значит, смягчаются удары, воспринимаемые передачей.

Рис. 125. Упругая зубчатая передача

Упругая зубчатая передача довольно сложна, ее трудно ремонтировать. Поэтому сейчас на электровозах ВЛ23, ВЛ60 и восьмиосных используют косозубое зацепление. В таком зацеплении у зубчатых колес, расположенных с противоположных сторон тягового двигателя, зубья наклонены в разные стороны. Рабочая поверхность зубьев в косозубой передаче получается большей, а зацепление - более плавным. С увеличением нагрузки на одну пару шестерен появляется усилие, действующее вдоль оси якоря. Якорь несколько перемещается, и нагрузка на оба редуктора выравнивается. Однако создание более совершенной упругой передачи является очень важной задачей, решение которой позволит увеличить срок службы редукторов.

Редукторы электровозов закрывают кожухами (рис. 126), в которые заливают смазку. Смазка увеличивает срок службы зубчатых колес и уменьшает потери энергии в них. Кожух также предотвращает попадание в зубчатые колеса песка, способствующего усилению их износа. Кожух состоит из верхней и нижней половин, которые скрепляют болтами, а сам кожух крепят к остову двигателя.

Рис. 126. Кожух зубчатой передачи

Смазку в моторно-осевые подшипники (рис. 127) заливают под давлением из резервуара с помощью шланга с наконечником, который вставляют в конусное отверстие смазочного устройства. Смазочное устройство обеспечивает постоянный уровень масла в нижней камере. При вращении ось колесной пары захватывает смазку из промасленной шерстяной набивки, соприкасающейся с поверхностью оси через окно вкладыша.

Рис. 127. Устройство для смазывания моторно-осевых подшипников с постоянным уровнем смазки

Опорно-осевое подвешивание тягового двигателя имеет много недостатков. Наиболее существенный из них заключается в том, что примерно половина веса тягового двигателя передается непосредственно на колесную пару.

В результате усиливаются жесткие удары колесной пары о рельсы в случае прохождения стыков и других неровностей пути при входе электровоза в кривую. Это расстраивает путь и вызывает сильную вибрацию двигателя. Особенно сильно все это сказывается при скоростях движения более 100 км/ч.

Созданы передачи, позволяющие полностью передавать вес двигателя на надрессорное строение. Такое подвешивание двигателя называют опорно-рамным. Оно осуществлено, например, при использовании тяговых двигателей с полым валом и с карданным (торсионным) валом на пассажирских электровозах, с помощью кулачовых или эластичных муфт на пригородных электропоездах.

На электровозах, эксплуатируемых в Советском Союзе, передача с полым валом и карданным валом применена на электровозах ЧС1, ЧС2, ЧСЗ, ЧС4, используемых в пассажирском движении. Тяговый двигатель в этом случае крепят к балкам рамы тележки (рис. 128); через полый вал якоря проходит карданный вал. Имеется, как и при опорно-осевом подвешивании, зубчатый редуктор, но односторонний. Большое колесо редуктора укреплено на оси колесной пары, а малое и а валу двигателя, подшипники которого установлены в кожухе, закрывающем также и большое зубчатое колесо. Кожух упруго подвешивается к раме тележки. Карданный вал с одной стороны шарнирной муфтой связан с полым валом двигателя, с другой - также шарнирной муфтой с валом малого зубчатого колеса. Внутренний диаметр полого вала должен быть таким, чтобы при наибольших прогибах рессорного подвешивания карданный вал не касался внутренней поверхности полого вала.

Рис. 128. Опорно-рамное подвешивание тягового двигателя

Шарнирные муфты являются наиболее сложным узлом передачи, они должны позволять карданному валу перемещаться в вертикальном и аксиальном (вдоль продольной оси) направлениях. Применяются шарнирные муфты различной конструкции.

В связи с необходимостью повышать силу тяги, как уже отмечалось, для грузовых электровозов наряду с повышением мощности тяговых двигателей требуется увеличить и передаточное число i. Это можно обеспечить, применив опорно-рамный мономоторный привод, т. е. групповой привод осей двух- или трехосной тележки с использованием одного двигателя и редуктора. Например, разработан двухступенчатый привод, изображенный на рис. 129. Первая промежуточная ступень привода состоит из так называемого раздаточного редуктора, вращение от которого карданными валами через второй осевой редуктор передается колесным парам. Для каждой ступени редуктора можно получить i = 3. Следовательно, общее передаточное число составит 9. В настоящее время проводятся испытания опытного образца электровоза ВЛ83 с мономоторным приводом каждой двухосной тележки.

Рис. 129. Схема двухступенчатого мономоторного привода

Предполагается, что за счет усложнения редуктора можно установить быстроходный тяговый двигатель, имеющий сравнительно небольшие массу и габариты, причем двигатель будет полностью подрессорен. Также считают, что механическое спаривание двух осей позволит повысить коэффициент сцепления. Однако при групповом приводе усложняется редуктор, значительно повышается неподрессорная его масса, смещенная к одному колесу, усложняются уход в эксплуатации и ремонт.