Гидравлическая передача
Гидравлической передачей называется такая передача, в которой как полная, так и частичная мощность во всем диапазоне скоростей передается гидравлическим машинами или аппаратами.
Классификация гидропередач. Гидродинамические передачи, нашедшие применение на тепловозах, основаны на преимущественной передаче энергии за счет скорости движения жидкости и разделяются на одно-, многоциркуляционные и комбинированные. В первом случае применяется один гидроаппарат и механическая коробка скоростей, переключаемая с помощью кулачковых муфт или ленточных тормозов; во втором случае — несколько гидроаппаратов, объединенных общим приводным валом и работающих поочередно в определенном интервале скоростей движения тепловоза. Основной качественный показатель многоциркуляционных передач — их исключительная плавность и устойчивая надежность переходных процессов, обусловленные равномерным перетеканием рабочей жидкости из одной полости циркуляции в другую. Однако вес, а следовательно, и стоимость их в среднем на 30 % выше, чем у передач одноциркуляционных. Кроме того, непроизводительные затраты на вращение опорожненных гидроаппаратов в среднем на 3...5 % понижают тягово-экономические показатели тепловозов, оборудованных многоциркуляционными передачами.
Комбинированные передачи занимают промежуточное положение между одно- и многоциркуляционными передачами. Их особенность — синхронизация переключения скоростей с помощью гидроаппарата. Плавное снятие нагрузки с кулачковой муфты при заполнении гидроаппарата-синхронизатора и такое же плавное повышение нагрузки на кулачки после переключения за счет опорожнения гидроаппарата-синхронизатора создают благоприятные условия для длительной и надежной работы механических муфт сцепления. При различных конструктивных схемах возможно переключение с разрывом силы тяги и без него, однако в последнем варианте конструкция усложняется. В гидрореверсивной комбинированной передаче для каждого направления движения имеется свой гидротрансформатор, при этом каждый из них является синхронизатором переключения для другого. В такой передаче возможно осуществление гидроторможения без применения дополнительных гидроаппаратов.
Гидродинамические передачи разделяют также на одно- и двухпоточные (гидромеханические). В однопоточных гидропередачах весь поток мощности полностью проходит через гидроаппарат(ы), а в двухпоточных гидромеханических часть потока мощности проходит через гидроаппарат, а часть через работающую параллельно с ним планетарную передачу. Гидромеханические передачи имеют больший КПД по сравнению с однопоточными: в гидроаппарате, имеющем более низкий КПД, чем планетарный редуктор, в данном случае теряется только часть энергии. Однако они не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к тепловозным передачам, так как имеется жесткая связь дизеля с колесными парами. Исследования данных передач на тепловозах ТГМ2 и ТГМ3 показали, что мощность дизеля используется не полностью. Поэтому на тепловозах применяют только однопоточные гидродинамические передачи.
В качестве гидроаппаратов возможно применение гидротрансформаторов, гидромуфт и комплексных гидротрансформаторов. Гидротрансформаторы передают момент с возможностью его трансформации, гидромуфты — без, а комплексные гидротрансформаторы могут работать как в режиме гидротрансформатора, так и в режиме гидромуфты. При постоянной частоте вращения насосного колеса КПД гидротрансформатора зависит от передаточного отношения и изменяется по кривой, близкой к параболе, а КПД гидромуфты возрастает по линейной зависимости до максимального значения, а затем при передаточном отношении, равном единице, резко падает до нуля. КПД гидропередачи на режиме гидромуфты составляет около 90 %, однако, по мнению западногерманских специалистов, возможные дополнительные потери в дизеле снижают разницу в экономичности на режимах гидромуфты и гидротрансформатора. Комплексный гидротрансформатор имеет муфты свободного хода, на которых укреплены колеса реактора. Эти муфты снижают его надежность, особенно при больших передаваемых мощностях; кроме того, он имеет КПД ниже, чем обычный гидротрансформатор.
Таким образом, наиболее подходящей для тепловоза гидропередачей можно считать однопоточную гидродинамическую с применением гидрореверсирования на маневровом режиме (при его наличии).
К достоинствам гидродинамических передач можно отнести их высокую надежность (ограниченное количество изнашивающихся узлов; достигнутый пробег без переборки на зарубежных образцах достигает 1 млн. км), невысокую стоимость (расход цветных металлов ?0,15 кг/кВт вместо ?2,2 кг/кВт у электропередач), меньшие по сравнению с электропередачами габариты и удельный вес (3...5 кг/кВт, у электропередач — 8...12 кг/кВт), а также простоту в эксплуатации.
К основным недостаткам следует отнести несколько более низкий КПД по сравнению с электропередачей, обусловленный характеристикой КПД гидроаппаратов.
Однако на практике расход топлива зависит не только от КПД передачи, но также от режимов работы дизеля и соответствия характеристик локомотива режимам его эксплуатации. По данным немецких экономистов, промышленный тепловоз с электропередачей переменного тока на мощность 500 кВт должен проработать не менее 20 лет, чтобы компенсировать путем экономии дизельного топлива большие первоначальные затраты по сравнению с аналогичными с гидродинамической передачей. Работы по техническому обслуживанию (ТО) зарубежных тепловозов с гидродинамической передачей ограничиваются в основном сменой фильтров и масла. При неудовлетворительном сцеплении меньшая склонность их к боксованию объясняется наличием группового привода колесных пар, с одной стороны, и быстродействием системы сброса и восстановления силы тяги (в долях секунды, независимо от дизеля), с другой, так как передача полной мощности гидроаппаратами возможна только при определенном давлении их подпитки.
Зарубежные двухтрансформаторные передачи на номинальной мощности 1100...1470 кВт при достигнутых на расчетных режимах КПД (пусковых 0,87...0,88 и маршевых 0,88...0,89) гидротрансформаторов (ГДТ) обеспечивают КПД на выходном валу около 83...85 %, так как относительные потери в механической передаче на режиме полной мощности не превышают 0,8 % в ведущей и 2,5 % в ведомой части передачи, а относительная мощность приводов вспомогательных насосов не превышает 1,5 %.