ТЕПЛОВОЗ С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ Российский патент 2001 года по МПК B61C11/00 

Настоящее изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может найти применение в качестве локомотива.

Известен маневровый тепловоз ТГМ-4, содержащий раму с балластной плитой, опирающуюся на две двухосных тележки, на которой размещены водительское и машинное отделения, в последнем размещен шестицилиндровый дизель, механически соединенный с колесами посредством гидравлической передачи и группового карданного привода, холодильник, вспомогательный генератор, мотор-компрессор, аккумуляторную батарею, песочницу с системой подачи песка, двигатель 211Д1, мощность двигателя 750 л.с., частота вращения вала двигателя 1400 об/мин, масса тепловоза 68 тс, максимальная скорость движения 55 км/час, тяга 17,9 тс. /Маневровые тепловозы под ред. Л.С. Назарова, М., Транспорт, 1977, с. 26 - 30, рис. 6, табл. 2,4/.

Недостатками известного тепловоза ТГМ-4 являются небольшая скорость движения, потери мощности в гидравлической передаче и групповом приводе колес, частая пробуксовка колес, сложность конструкции и большой собственный вес.

Указанные недостатки обусловленны конструкцией тепловоза.

Известен также маневрово-вывозной тепловоз ТЭМ-7, содержащий раму с четырьмя двухосными тележками, на которой размещены кабина машиниста и моторное отделение, в котором установлен дизель-генератор, мотор-компрессор, вспомогательный генератор, холодильник, возбудитель, съемный балласт, выпрямительную установку, систему пожаротушения, песочницу с системой подачи песка, тяговые электродвигатели, топливный бак и механизмы управления. Масса тепловоза 180 тс, съемный балласт 12 тс, мощность дизеля 2000 л.с., частота вращения коленчатого вала 1000 об/мин, максимальная скорость движения 100 км/час, мощность тягового генератора 1310 кВт, мощность одного тягового электродвигателя 135 кВт, тяга 59,4 - 35,0 тс, запас песка 2300 кг, запас топлива 6000 кг. /там же, с. 8 - 11, рис. 1/.

Известный маневрово-вывозной тепловоз ТЭМ-7, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.

Недостатками известного маневрово-вывозного тепловоза ТЭМ-7, принятого за прототип, являются электрические и тепловые потери в тяговом генераторе и тяговых электродвигателях, наличие бесполезного балласта, сложность конструкции и большой вес.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией тепловоза.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных качеств тепловоза.

Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что тяговый генератор с возбудителем, тяговые электродвигатели с системой принудительного охлаждения, выпрямительная установка, песочница с системой подачи песка, съемный балласт заменены четырьмя горизонтальными движителями, установленными по два с левого и правого бортов и кинематически связанными через гидромуфты сцепления, блоки кулисно-рычажных муфт и редукторы с двигателем, причем все четыре горизонтальных движителя одинаковы по конструкции и каждый из них содержит цилиндрический корпус с входным и выходным соплами, внутри которого размещен редуктор, выходные пустотелые валы которого размещены вдоль осевой линии корпуса и закреплены в конусах, установленных на кронштейнах во входном и выходном соплах, кроме того, на выходных полых валах закреплены одинаковые по конструкции тяговые блоки, количество которых не ограничено, содержащие неподвижные диски, закрепленные на выходных пустотелых валах, с каждой стороны которых установлены с возможностью продольного перемещения подвижные диски со сквозными каналами круглого или прямоугольного сечения, наклоненными в сторону вращения дисков под углом к плоскости, проходящей через центр вращения, и расположенными по концентрическим окружностям, в четном количестве в каждой из них, кроме того, подвижные диски соединены посредством штифтов, пропущенных через пазы в выходных пустотелых валах, с подвижными валами, размещенными внутри выходных пустотелых валов и соединенными посредством валов с косыми шайбами с гидродвигателями, размещенными внутри конусов, внутренние полости которых гидравлически соединены с масляным баком, масляным насосом и краном управления, причем входной вал редуктора горизонтального движителя соединен с выходным валом приводного редуктора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид тепловоза; на фигуре 2 - вид на тепловоз спереди; на фигуре 3 - вид на тепловоз сверху; на фигуре 4 - вид на тепловоз в разрезе; на фигуре 5 - схема силовой передачи тепловоза; на фигуре 6 - общий вид горизонтального движителя тепловоза; на фигуре 7 - вид на горизонтальный движитель спереди; на фигуре 8 - вид на горизонтальный движитель в разрезе; на фигуре 9 - устройство тягового блока и механизма управления; на фигуре 10 - вид спереди на неподвижный диск тягового блока; на фигуре 11 - вид сзади на неподвижный диск тягового блока; на фигуре 12 - вид сзади на передний подвижный диск тягового блока; на фигуре 13 - вид спереди на передний подвижный диск тягового блока; на фигуре 14 - вид спереди на задний подвижный диск тягового блока; на фигуре 15 - вид сзади на задний подвижный диск тягового блока; на фигуре 16 - схема расположения сквозных каналов на переднем подвижном диске тягового блока; на фигуре 17 - схема расположения сквозных каналов на заднем подвижном диске тягового блока; на фигуре 18 - схема создания тяги в прямом направлении на тяговом блоке; на фигуре 19 - схема создания тяги в обратном направлении на тяговом блоке; на фигуре 20 - устройство редуктора горизонтального движителя; на фигуре 21 - схема блока кулисно-рычажных муфт; на фигуре 22 - устройство кулисно-рычажной муфты; на фигуре 23 - общий вид гидромуфты сцепления; на фигуре 24 - устройство гидромуфты сцепления в разрезе; на фигуре 25 - устройство впускного и выпускного клапанов гидромуфты сцепления; на фигуре 26 - гидравлическая схема управления горизонтальными движителями; на фигуре 27 - схема устройства внутреннего редуктора горизонтального движителя.

Предлагаемый тепловоз содержит раму 1 с тележками 2, 3, под которой размещены топливный бак 4 и баллоны-ресиверы 5 пневматической тормозной системы. Сверху на раме установлен кузов 6, в верхней части которого размещены кабины машиниста 7, 8, шкафы с электрооборудованием 9, 10, холодильник 11 охлаждения двигателя, глушитель 12 двигателя. В нижней части кузова, на раме установлены четыре горизонтальных движителя 13, 14, 15, 16, размещенных по два с правого и левого бортов и попарно соединенных между собой переходными кольцами 17, 18. Двигатель 19, установленный на раме между горизонтальными движителями, имеет две гидромуфты сцепления 20, 21, посредством которых он соединен с двумя кулисно-рычажными муфтами 22, 23, а последние механически соединены с редукторами 24, 25, которые карданными валами 26, 27 соединены с горизонтальными движителями. Кроме того, в моторном отделении установлены мотор-компрессор 28, генератор постоянного тока 29, аккумуляторные батареи 30 и двухмашинный агрегат 31. Все четыре горизонтальных движителя имеют одинаковое устройство, и каждый из них содержит корпус 32 цилиндрического типа, имеющий входное 33 и выходное 34 сопла, внутри которых на кронштейнах 35, 36 закреплены конуса 37, 38. В нижней части корпус имеет опоры 39 для крепления, а в верхней части расположен продольный смотровой люк, закрытый крышкой 40. Внутри корпуса размещен внутренний редуктор 41, концы выходных пустотелых валов которого установлены в подшипниках конусов. Внутренний редуктор содержит корпус 42, закрытый крышкой 43 и закрепленный внутри посредством кронштейнов 44. В подшипнике корпуса установлен ведущий вал 45, на котором закреплена ведущая шестерня 46, входящая в зацепление с ведомыми шестернями 47, 48, закрепленными на выходных пустотелых валах 49, 50, установленных в подшипниках 51, 52 корпуса. Внутри выходных пустотелых валов установлены с возможностью продольного перемещения внутренние валы: передний 53 и задний 54, имеющие на концах кольца 55. Упомянутые кольца переднего внутреннего вала взаимодействуют с косой шайбой 56, установленной на валу 57, связанном с гидродвигателем 58, размещенным внутри переднего конуса. Упомянутые кольца заднего внутреннего вала взаимодействуют с такой же косой шайбой, установленной на таком же валу, связанном с гидродвигателем 59, размещенным внутри заднего конуса. Гидродвигатели 60, 61, 62, 63, 64, 65 трех остальных горизонтальных движителей также размещены в конусах и имеют аналогичную связь с внутренними валами. Все восемь гидродвигателей - поворотные и одинаковые по конструкции. Каждый из них содержит полукруглый корпус 66, внутрь которого вставлен вал 67 с укрепленной на нем лопастью 68, делящей внутреннюю полость на две части. Внутренние полости гидродвигателей посредством трубопроводов соединены с гидравлической системой, включающей в себя масляный бак 69, масляный насос 70 и кран управления, состоящий из корпуса 71, внутрь которого вставлен золотник 72, имеющий перепускные каналы 73 и соединенный с ручкой 74. Внутри корпуса горизонтального движителя размещены тяговые блоки 75, количество которых не ограничено и зависит от величины необходимой тяги. Все тяговые блоки одинаковы по конструкции, и каждый из них содержит плоский неподвижный диск 76, выполненный из легкого и прочного материала, имеющий гладкие отполированные поверхности. Посредством стопоров 77 с винтами неподвижный диск прикреплен к переднему выходному пустотелому валу внутреннего редуктора. Спереди и сзади от неподвижного диска на том же валу установлены с возможностью продольного перемещения передний 78 и задний 79 подвижные диски, такие выполненные из легкого и прочного материала, поверхности которых имеют такую же чистоту обработки. Посредством шпилек 80 подвижные диски соединены с передним внутренним валом. Передний и задний подвижные диски имеют сквозные каналы 81 круглого или прямоугольного сечения, расположенные по концентрическим окружностям, в четном количестве в каждой из них, и наклоненные в сторону вращения под углом α, равным 45 градусам к плоскости, проходящей через центр вращения /фиг. 16, 17/. Оба редуктора привода горизонтальных движителей одинаковы по конструкции, и каждый из них содержит корпус 82 с элементами крепления, имеющий подшипники 83, 84, 85, в которых закреплены ведущий вал 86 с ведущей шестерней 87, ведомые валы 88, 89, на которых установлены ведомые шестерни 90, 91, входящие в зацепление с ведущей шестерней. Корпус закрыт крышкой, не показанной на чертеже. Оба блока кулисно-рычажных муфт одинаковы по конструкции, и каждый из них содержит корпус 92, закрытый крышкой 93 и имеющий подшипники 94, 95, в которых закреплены ведущий вал 96 и ведомый вал 97, связанные с кулисно-рычажными муфтами 98, соединенными последовательно друг с другом / ведомый вал первой муфты соединен с ведущим валом второй муфты и так далее/. Количество муфт не ограничено и обусловлено необходимой частотой вращения ведомого вала блока кулисно-рычажных муфт. Все кулисно-рычажные муфты одинаковы по конструкции, и каждая из них содержит ведущий вал 99, жестко соединенный с траверзой 100, имеющей стержни 101, 102, входящие в отверстия ползунов 103, 104, установленных по взаимно перпендикулярных диаметральных пазах 105, 106, выполненных на диске 107, закрепленном на ведомом валу, не показанном на чертеже.

/О кулисно-рычажной муфте см. И.И. Артоболевский, Механизмы в современной технике, М., Наука, т. 2, с. 383, N 1334/.

Обе гидромуфты сцепления одинаковы по конструкции и каждая из них содержит корпус 108, имеющий шлиц и соединенный с ведомым валом 109. На корпусе установлено с возможностью продольного перемещения по шлицу колесо 110 с желобом, контактирующее с вилкой 111, закрепленной на оси. Колесо соединено продольными тягами 112 с выпускными клапанами. На ведущем валу 113 закреплен кривошип, соединенный посредством шатунов 114 с тремя поршнями 115, установленными внутри цилиндров, выполненных как одно целое с корпусом. Полости цилиндров посредством трубок 116 и вентилей 117 соединены с тремя полостями 118 корпуса. Внутри каждого вентиля установлены всасывающий пластинчатый клапан 119 и выпускной клапан 120, связанный тягами с колесом. Полости корпуса заполнены маслом. /О муфте см. С.Н. Кожевников, Я.И. Есипенко, Я.М. Раскин, Механизмы, М., Машиностроение, 1976, изд. 4-ое, с. 407, рис. 6.59/.

Работа тепловоза с горизонтальным движителем.

Перед началом движения необходимо проверить работу всех вспомогательных узлов и систем, затем запустить двигатель 19. После прогрева и проверки его работы на всех режимах тепловоз может начать движение. Перед началом движения необходимо посредством ручки 74 установить золотник 72 крана управления в положение, показанное на фигуре 26. Масло из масляного бака 69 масляным насосом 70, приводным в движение электродвигателем, не показанным на чертеже, подается в полости гидродвигателей 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65. Лопасти 68 этих гидродвигателей под давлением масла поворачивают валы 67 и 57 вместе с косыми шайбами 56, которые, воздействуя на кольца 55, передвигают вперед внутренние валы 53. При этом задние подвижные диски 79 горизонтальных движителей 13, 14, 15, 16 вплотную прижимаются к неподвижным дискам 76, а передние подвижные диски 78 отодвигаются от них /фиг. 9/. После этого ручка 74 крана управления устанавливается в промежуточное положение и масло от масляного насоса 70 через редукционный клапан возвращается в масляный бак 69. При этом ведущие валы 113 гидромуфт 20, 21, соединенные с валами двигателя 19, свободно вращаются при открытых запорных клапанах 120, перекачивая без больших сопротивлений масло из полостей 118 корпуса 108 в полости цилиндров и обратно. Ведомые валы 109 указанных гидромуфт неподвижны. Далее механизмом, не показанным на чертеже, поворачиваются вилки 111, которые через колеса 110 и тяги 112 постепенно закрывают запорные клапаны 120. Постепенное закрытие запорных клапанов создает сопротивление перемещению масла и соответственно поршней 115, что ведет к включению гидромуфт 20, 21 и вращению корпусов 108 и ведомых валов 109 от нуля до частоты вращения валов двигателя 19. Вращающийся момент от гидромуфт 20, 21 передается на ведущие валы 96 блоков кулисно-рычажных муфт 22, 23. При вращении ведущих валов 99 первых из муфт в направлении, показанном стрелкой на фигуре 22, вместе с ними вращаются траверзы 100, которые своими стержнями 101, 102 перемещают ползуны 103, 104, которые двигаются по диаметральным пазам 105, 106 и вращают диски 107 в том же направлении со скоростью, в два раза большей, чем скорость ведущих валов 96. Затем происходит дальнейшее увеличение частоты вращения на последующих кулисно-рычажных муфтах 98. Вращающийся момент с ведомых валов 97 кулисно-рычажных муфт передается на ведущие валы 86 и ведущие шестерни 87 редукторов 24, 25. Ведущие шестерни приводят во вращение ведомые шестерни 90, 91, а вместе с ними и ведомые валы 88, 89. Далее вращающийся момент карданными валами 26, 27 передается на ведущие валы 45 и ведущие шестерни 46 внутренних редукторов 41 горизонтальных движителей 13, 14, 15, 16. Посредством ведомых шестерней 47, 48 ведомые пустотелые валы 49, 50, а вместе с ними и неподвижные 76 и подвижные диски 78, 79 тяговых блоков 75 приводятся во вращение. При вращении дисков 78, 76, 79 в направлении, показанном стрелками на фигуре 18, у передней поверхности неподвижного диска 76 и задней поверхности подвижного диска 79 возникают движущиеся пограничные слои воздуха, создающие разрежение у этих поверхностей. Причем разрежение у передней поверхности неподвижного диска 76 в два раза больше, чем разрежение у задней поверхности заднего подвижного диска 79, потому что задняя поверхность заднего диска 79 в два раза меньше, чем передняя поверхность неподвижного диска 76 из-за входных отверстий каналов 81. Кроме того, при вращении подвижного диска 79 в каналы 81 поступает движущийся воздух из пограничного слоя и создает в них динамическое давление. Давление на противоположные стенки каналов уравновешено, их площади равны, а давление на дно каждого из каналов 81, которым является задняя стенка неподвижного диска 76, ничем не уравновешено. Таким образом, на неподвижный диск 76 действуют силы F_п и F_д, совпадающие по направлению, а сила F_з в два раза меньшая по величине, чем сила F_п, действует в противоположном направлении. Равнодействующая этих сил F_р, являющаяся силой тяги, направлена вперед, приложена к раме 1 тепловоза и заставляет его двигаться в том же направлении. Все остальные тяговые блоки 75 работают так же. Стоящий отдельно передний подвижный диск 78 никаких сил не создает, разрежение на его поверхностях одинаково. Величина тяги горизонтальных движителей 13, 14, 15, 16 может изменяться путем изменения частоты вращения валов двигателя 19 от максимальной при максимальных оборотах двигателя до минимальной при минимальных оборотах. При холостом ходе тепловоза тяга может быть полностью отключена путем выключения гидромуфт 20, 21. Для торможения тепловоза и обеспечения движения задним ходом необходимо передвинуть ручку 74 крана управления в положение, показанное на фигуре 26 пунктиром. Перепускные каналы 73 золотника 72 займут положение, показанное пунктиром. Масло из масляного бака 69 масляным насосом 70 станет подаваться в другие полости гидродвигателей 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65 и лопасти 68 этих гидродвигателей повернут в обратную сторону валы 57 и косые шайбы 56, которые через кольца 55 передвинут назад внутренние валы 53. Задние подвижные диски 79 отодвинутся от неподвижных дисков 76, а передние подвижные диски 78 пододвинутся к ним вплотную. При вращении в ту же сторону дисков 78, 76, 79, фигура 19, на передней поверхности переднего подвижного диска 78 и на задней поверхности неподвижного диска 76 возникает движущийся пограничный слой воздуха и, как следствие этого, происходит возникновение разрежения на этих поверхностях. Как упоминалось выше, площади этих поверхностей различны и разрежение, создаваемое на них, также различно. На задней поверхности неподвижного диска оно в два раза больше. Кроме того, воздух из пограничного слоя поступает в каналы 81 переднего подвижного диска 78 и производит динамическое давление на стенки и дно каждого из каналов, которое теперь уже является передней поверхностью неподвижного диска 76. Силы F_з и F_д будут направлены назад, а сила F_п будет направлена вперед. Равнодействующая сила F_р также будет направлена назад. В результате, если тепловоз двигался вперед, то воздействие на него тяги, направленной назад, будет вызывать торможение. Если он был неподвижен, то начнет двигаться назад. Величина торможения и скорость движения назад могут изменяться изменением частоты вращения валов двигателя 19. Таким образом, при движении вперед или назад тяга создается на раме 1 тепловоза. Торможение тепловоза может осуществляться также штатными пневматическими тормозами. Двухмашинный агрегат преобразует постоянный ток генератора 29 в трехфазный переменный ток для питания вспомогательных электродвигателей.

Предлагаемый тепловоз может найти применение на горных участках дороги с большими и длительными подъемами и спусками.

Положительный эффект изобретения: создание тяги непосредственно на раме, а не на ободе колес, меньший износ пути, уменьшение веса локомотива и экономия металла, отсутствие пробуксовки колес и нет надобности в системе подачи песка, сила тяги не зависит от сцепного веса тепловоза, равномерная нагрузка на двигатель при любых режимах.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта. Тепловоз с горизонтальным движителем содержит раму с тележками. На раме размещены кабины машиниста, моторное отделение с двигателем и силовой передачей, генератор постоянного тока, двухмашинный агрегат, мотор-компрессор, холодильник, топливный бак и механизмы управления. Оба вала двигателя через гидромуфты, блоки повышающих муфт и редукторы карданными валами соединены с четырьмя горизонтальными движителями, установленными по два с каждой стороны соосно друг другу. Все четыре горизонтальных движителя одинаковы по конструкции и каждый из них содержит цилиндрический корпус с входными и выходными соплами. Внутри корпуса на кронштейнах размещены конуса. Ведущий вал внутреннего редуктора через боковое отверстие соединен с редуктором. На ведомых пустотелых валах внутреннего редуктора установлены тяговые блоки, количество которых не ограничено. Тяговые блоки кинематически соединены с механизмом перемены направления тяги. Каждый из тяговых блоков содержит гладкий неподвижный диск, закрепленный на выходном пустотелом валу, и два подвижных диска, размещенных по одному с каждой стороны неподвижного диска. Подвижные диски имеют сквозные каналы круглого или прямоугольного сечения, размещенные по концентрическим окружностям в четном количестве в каждой из них и наклоненные в сторону вращения под углом к плоскости, проходящей через центр вращения. Технический результат - повышение эксплуатационных качеств тепловоза. 27 ил.

Тепловоз с горизонтальным движителем, содержащий раму с тележками, на которой размещены кабины машиниста, моторное отделение с двигателем и силовой передачей, генератор постоянного тока, двухмашинный агрегат, мотор-компрессор, холодильник, топливный бак, механизмы управления, отличающийся тем, что оба вала двигателя через гидромуфты сцепления, блоки повышающих кулисно-рычажных муфт и редукторы карданными валами соединены с четырьмя горизонтальными движителями, установленными по два с каждой стороны соосно друг другу и пневматически соединенными между собой переходными кольцами, причем все четыре горизонтальных движителя одинаковы по конструкции и каждый из них содержит цилиндрический корпус с входными и выходными соплами, внутри которого на кронштейнах размещены конуса, внутренний редуктор, ведущий вал которого через боковое отверстие соединен с редуктором, а на ведомых пустотелых валах, закрепленных в подшипниках конусов, установлены тяговые блоки, количество которых не ограничено, кинематически соединенные с механизмом перемены тяги, причем каждый из тяговых блоков содержит гладкий неподвижный диск, закрепленный на выходном пустотелом валу, и два подвижных диска, размещенных по одному с каждой стороны неподвижного диска и установленных с возможностью перемещения в продольном направлении, имеющих сквозные каналы круглого или прямоугольного сечения, размещенные по концентрическим окружностям в четном количестве в каждой из них и наклоненные в сторону вращения под углом к плоскости, приходящей через центр вращения.