Введение к работе
Актуальность работы. Исследования надежности дизельных двигателей в эксплуатации показали, что значительная доля отказов прямо или косвенно связана с нарушением их тепловых режимов. В процессе работы тепловоза различные нагрузки на дизель требуют постоянного изменения интенсивности работы вентилятора для поддержания определенной температуры охлаждающих дизель жидкостей.
С повышением удельной мощности дизеля усложняются условия работы других систем тепловозов, в частности, системы охлаждения, производительность которой также должна быть повышена, но при этом не должны существенно увеличиваться ее габариты. Следовательно, в качестве перспективного элемента силовой установки тепловоза можно рассматривать гидростатический привод вентиляторов охлаждающего устройства. Такой тип привода обладает высокой удельной мощностью, что в сочетании с автоматическим объемным регулированием дает предпосылки, позволяющие создать систему охлаждения с более высокими характеристиками.
Тепловозы с гидростатическим приводом вентиляторов охлаждающего устройства широко распространены на железных дорогах России, Эстонии, Латвии, Литвы, Украины, Белоруссии, Германии. Для грузовой и пассажирской службы используются также тепловозы с гидростатическим приводом вентиляторов охлаждающего устройства в Болгарии, Чехии, Словакии, Румынии, Франции, Великобритании, Греции, стран Африки, Кубы, Бразилии и США.
На пассажирских тепловозах ТЭП70 применяется гидростатический привод вентиляторов охлаждающего устройства с аксиально-поршневыми насос-моторами, который обладает недостаточно высокой надежностью. По данным ремонтного локомотивного депо Санкт-Петербург-Сортировочный-Витебский за 2009 год произошло 227 случаев неплановых ремонтов тепловозов ТЭП70, из них 14 (6,2 %) – вследствие отказов гидростатики, причем 8 (3,5 %) случаев неплановых ремонтов связано с отказами насосов и гидромоторов МН 250/100 по причинам износа сальника гидронасосов, трещин, отколов блока цилиндров, рисок и забоин глубиной более 0,0005 м на торцовой поверхности распределителя гидронасосов.
Следовательно, в настоящее время актуальной является задача разработки насос-мотора нового поколения, повышающего надежность работы тепловоза, вследствие уменьшения расходов на ремонт и техническое обслуживание при одновременном увеличении ресурса работы оборудования. Наиболее оптимальным решением является шаровой насос-мотор принципиально новой конструкции, разработанный в Петербургском государственном университете путей сообщения.
Цель работы заключается в улучшении функционирования гидростатического привода вентиляторов охлаждающего устройства тепловозов за счет применения регулируемых шаровых насос-моторов нового типа.
Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
-
выявлены основные причины неплановых ремонтов гидростатического привода вентиляторов охлаждающего устройства тепловозов;
-
предложена новая схема гидростатического привода вентиляторов охлаждающего устройства тепловозов с объемным регулированием для управления подачей насоса нового типа;
-
создана методика исследования работы шарового насос-мотора, обеспечивающего устойчивое перекачивание рабочей жидкости и легкость его объемного регулирования;
-
разработана конструкция, созданы действующие образцы регулируемого шарового насос-мотора нового типа; проведены его испытания и на их основе составлены рекомендации к его производству и внедрению в гидростатический привод вентиляторов охлаждающего устройства тепловозов;
-
сделана оценка экономической эффективности применения предлагаемой конструкции.
Объектом исследования является гидростатический привод вентиляторов охлаждающего устройства тепловозов.
Предметом исследования является повышение надежности и коэффициента полезного действия гидростатического привода вентиляторов охлаждающего устройства тепловозов.
Основные методы научных исследований. При выполнении работы осуществлено исследование функционирования роторных объемных насосов, прогнозирование надежности насоса нового типа проведено на основании положений теории надежности. Эксперименты выполнены на четырех моделях шарового насоса. Математическое моделирование, расчеты и обработка результатов экспериментального исследования, в основном, выполнены с помощью ПЭВМ и пакетов программ Microsoft Excel, Microsoft Visual Studio 2005 (язык программирования C #) и SolidWorks SimulationXpress 2010 на базе численных методов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
разработана методика инженерного расчета основных характеристик и параметров шарового насос-мотора, отличающаяся методами оценки его производительности;
-
получены уравнения и соответствующие графические зависимости производительности предложенной конструкции от частоты вращения его вала Q (n), от угла наклона ведомого диска Q () и от внутреннего радиуса его корпуса Q (R);
-
составлены алгоритмы расчета и оценки надежности гидронасосов;
-
предложена методика оценки вероятностей нахождения ротора шарового насос-мотора в различных рабочих состояниях.
Практическая ценность работы:
-
разработан и успешно испытан шаровой насос-мотор нового типа, обеспечивающий надежное функционирование гидростатического привода вентиляторов охлаждающего устройства тепловозов;
-
предложена схема гидростатического привода вентиляторов охлаждающего устройства тепловозов с автоматическим объемным регулированием, отличающаяся от типовой более высокими надежностью и КПД;
-
внедрение разработанного шарового насос-мотора в гидростатический привод вентиляторов охлаждающего устройства тепловоза ТЭП70 позволит получить годовой экономический эффект не менее 987,427 тыс. руб. на парк тепловозов ремонтного локомотивного депо Санкт-Петербург-Сортировочный-Витебский в количестве 53 единиц.
Реализация. Опытные образцы шарового насоса проходили проверку и рекомендованы к эксплуатации в эксплуатационном вагонном депо ВЧДЭ-6 г. Санкт-Петербурга, в эксплуатационном вагонном депо Санкт-Петербург-Сортировочный-Витебский и в метрополитене г. Санкт-Петербурга, кроме того, используются в научных целях и в учебном процессе в лаборатории гибких производственных систем и триботехники ПГУПС.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований с максимальным расхождением экспериментальных и расчетных данных, не превышающим 5 %.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на 4-х международных конференциях «Трибология и надежность» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2006-2009 г.г.), на 2-х международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы трибологии» (г. Самара, СамГТУ, 2007 г.) и «Актуальные задачи машиноведения, деталей машин и триботехники» (г. Санкт-Петербург, БГТУ, 2010 г.), на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2007 г., 2009 г.), на 10-й международной научно-практической конференции «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2008 г.), на 5-м международном симпозиуме «Eltrans’2009» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2009 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в шестнадцати печатных работах. По результатам внедрения получен патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и четырех приложений, изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 23 таблицы и 61 иллюстрацию. Библиографический список насчитывает 153 наименования.
