Технические науки/3.Отраслевое машиностроение; 4.Транспорт.

Д.т.н. Балабин В.Н.

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), Россия

УДК 656.062

Прогрессивная модульная компоновка вспомогательных систем дизеля локомотива

Модульная компоновка оборудования, ассоциируется с современными направления развития транспорта.

В последнее время во всём мире начали активно применять модульное конструирование транспортных средств различного назначения.

Процессы проектирования, изготовления, эксплуатации и обслуживания модулей удешевляются и появляется возможность унификации используемого и нового оборудования.

К архитектуре блочно-модульной концепции быстро- и взаимозаменяемых оперативных модулей основного и вспомогательного оборудования современных локомотивов с самого начала должны предъявляться высокие требования по надежности, удобству диагностики и обслуживания. В перспективных локомотивах принцип модульности необходимо довести до логической завершенности. Однако сделать это традиционными способами, принятыми в локомотивостроении, практически невозможно.

Необходимо коренным способом менять всю концепцию проектирования локомотивов, уделив главное внимание содержимому модулей и их унификации в зависимости от мощности локомотивной энергетической установки [1, 2].

В общем случае на локомотивах различают пять основных систем обеспечения дизеля: топливная, смазки, охлаждения, воздухоподготовки и газовыпуска. На рис.1 схематично показаны эти модули непосредственно на локомотиве и в снятом положении.

Основные модули обеспечения дизеля
Рис.1.

1. Модуль топливной системы низкого давления

Рассмотрим вариант унифицированного модуля топливной системы (модуль ТС) тепловоза.

Существуют макромодульность и микромодульность систем. Внутри модуля ТС расположены микромодули элементов топливной системы, позволяющие выполнять все операции обслуживания и замены элементов по мере необходимости без съёма основного модуля ТС. При этом связь со стационарными трубопроводами выполнены быстроразъёмными соединениями и моносоединителями, например, устройствами компании Staubli или КАМЛОК (Camlocks).

Прежде всего топливная система каркасно-модульной конструкции должна иметь оптимизированную силовую схему, включённую в силовую систему экипажа локомотива и обеспечивающую необходимые параметры жёсткости. Жесткий каркас модуля ТС берет на себя часть нагрузки, а также выполняет роль пояса безопасности при аварийных ситуациях.

Базовым элементом модуля ТС является топливный бак, как наиболее крупный и тяжёлый узел. Топливный бак рационально вписан в конструкцию экипажа тепловоза не только визуально, но и функционально. Расположение по центральной оси между тележками наиболее выгодно с одной стороны с точки зрения развески, а с другой – удобства двусторонней экипировки.

Модуль ТС устанавливается в нише топливного бака и представляет собой сварной каркас с размещённым внутри него основным оборудованием топливной системы низкого давления. На рис.2 место расположения модуля ТС выделено цветом. Компоновка предусматривает наиболее рациональное с точки зрения удобства обслуживания расположением агрегатов и арматуры, которые на большинстве тепловозов практически однотипны. Агрегаты и оборудование могут представлять собой микромодули, связанные между собой в основном модуле ТС.

Место установки модуля ТС на тепловозе

Рис.2.

Топливная система низкого давления предназначена для подачи топлива к топливной аппаратуре высокого давления дизеля, размещения запасов топлива, его фильтрации и подогрева.

Топливная система низкого давления включает следующие основные агрегаты: бак для топлива, фильтры грубой (ФГО) и тонкой очистки (ФТО), топливный насос низкого давления (ТННД) с приводом от электродвигателя, подогреватель топлива (ПТ), клапаны подпорный (ПК), предохранительный (ПрК) и обратный (ОК) аварийного питания.

Вариант исполнения микромодуля ТС представлен на рис.3. Связь трубопроводов выполняется с помощью быстроразъёмных соединений (БРС) [3] 5-13, а электрических цепей - с помощью разъёмов 1-4.

Вариант исполнения модуля ТС с использованием отдельных микромодулей

Рис.3.

Здесь отмечены по модулю ТС (М):. 1-4 электрические разъёмы, БРС топливных трубопроводов 5-11, БРС водяных трубопроводов 12, 13.

В модуле ТС применены микромодули оборудования разъёмы и БРС (mМ) соответственно: 5, 6 – фильтр грубой очистки ФГО, 2, 4, 7,8 – привод и топливоподкачивающей насос ТПН, 10, 11 – фильтр тонкой очистки, 1, 2, 9, 12 – Предохранительный клапан ПрК и датчик давления топлива Рт, 13 - грязесборник, 14, 15 – подпорный клапан ПК, 16, 17, 18, 19, 20 - топливоподогреватель.

2. Модульная система смазки

Система смазки ДВС в отличие от практически унифицированной топливной системы отличается некоторым разнообразием. Для всех групп системы смазки общим является обеспечение подачи масла в необходимом количестве и с заданной температурой к подшипникам коленчатого вала, поршням, а также к другим узлам и трущимся деталям ДВС.

Поэтому использование модульного принципа конструирования блока системы смазки (модуль СС) предусматривает различную компоновку оборудования в зависимости от технических характеристик ДВС и локомотива (см. рис.4 и 5).

Место установки модуля СС на тепловозе

Модуль СС

Рис.4.

Как и модуль ТС, модуль СС имеет каркасную конструкцию, включённую в силовую и прочностную схему локомотива, создающую требуемую жёсткость.

Вариант исполнения модуля СС

Рис.5.

Модуль СС имеет большие габариты, чем модуль ТС и располагается на локомотиве между дизелем и холодильной камерой. В зависимости от типа и назначении локомотива устанавливается с левой (по ходу) или правой стороне кузова и может занимать объём от пола кузова или рамы локомотива до подкрышевого оборудования.

Базовыми элементами модуля СС являются блоки фильтров и блоки масляных насосов с электроприводом. Значительные габариты имеет(ют) также водо-масляный(ые) теплообменник(и). Съём и установка модуля СС выполняется сбоку кузова локомотива. При использовании внутри модуля СС микромодулей, имеется возможность индивидуального подхода к ним снаружи локомотива.

Внутри модуль СС органично вписан в кузов локомотива при необходимости с удобным подходом ко всем узлам и элементам микромодулей.

3. Модуль системы охлаждения

Самый громоздкий и насыщенный модуль в тепловозе – модуль системы охлаждения (СО), включающий секции охлаждающих устройств (ОУ), расширительный бак, блоки вентиляторов, два водяных насоса (ВН), водоподогреватель (ВП) на базе котла подогревателя (КП), гидромагнитные фильтры (ГМФ).

Модуль СО за исключением прохода, занимает весь объём холодильной камеры и примыкающее со стороны машинного отделения пространство. Важным условием является стыковка всех модулей ТС, СС и СО через водяные трубопроводы! При этом совместные агрегаты, такие как: топливоподогреватель (ТП) и водо-масляные теплообменники (ВМТ) установлены соответственно в модулях ТС и СС, а не в модуле СО. В случае обрыва соединительных трубопроводов, произойдёт утечка воды, а не нефтепродуктов!

Модуль СО предназначен для циркуляции теплоносителя и отвода тепла от агрегатов, узлов, деталей дизеля, и турбокомпрессора, а также от масла системы смазки и наддувочного воздуха.

В построении внешней части контура охлаждения модуля СО, определяющего путь воды вне дизеля, имеется ряд различий, не описываемых в данной работе. Традиционно система охлаждения бывает одно- или двухконтурной.

Сравнение штатной двухконтурной системы охлаждения и модуля СО, представлено на рис.6.

Сравнение штатной двухконтурной системы охлаждения и модуля СО

Рис.6

а – штатная система охлаждения дизеля; б – модульная система охлаждения

На рис.6. показаны: ОУ – секции охлаждающих устройств; ГМФ – гидромагнитные фильтры; РБ – расширительный бак; ВП – водоподогреватель; ТП – топливоподогреватель; КК – калориферы кабины; ВМТ – водомасляные теплообменники; ВН – водяные насосы.

Новая концепция применения модульной конструкции вспомогательного оборудования локомотивов позволяет шире использовать манипуляторы на пунктах технического обслуживания и экипировки.

На начальном этапе внедрения автоматизированного ТО локомотивов возможно использование ручных сбалансированных манипуляторов, обладающие эффективной и надёжной работой. По сравнению с традиционными грузоподъемными машинами типа тельферов, кран-балок, талей и т.д., жесткая фиксация груза, исключает его раскачивание, а использование автоматических захватов не требует операций стыковки. Также отмечается простота управления; малая масса; невысокая стоимость и универсальность.

В дальнейшем необходимо использовать роботы-манипуляторы, обладающие несколькими степенями свободы и адаптивной системой управления. Манипулятор предназначен для прямого непосредственного оперирования с самими модулями или с микромодулями, входящими в состав модуля. Блок управления, сравнивая задачу со сведениями, поступающими с его датчиков, сам рассчитает необходимую оптимальную траекторию к позиционированному локомотиву и проводит модули без столкновений с возможными препятствиями.

Выводы

Модульный принцип проектирования позволяет резко ускорить разработку и выпуск новых модификаций оборудования на базе существующих конструкций. При этом:

- снижаются затраты и растет производительность локомотива в эксплуатации за счёт оперативной экипировки;

- снижается влияние человеческого фактора при монтаже и проверке модулей в составе локомотива;

- внедрение новых концепций манипуляторов для выполнения основных операций съёма и установки модулей, обеспечивает возможность использования безлюдных технологий;

- создаются универсальные конструкторско-технологические решения модулей для различных типов локомотивов;

- сокращается общее количество обслуживающего персонала на пунктах экипировки.

Литература:

1. Балабин В.Н., Ф. Винклер Принцип модульности в проектировании современных автономных локомотивов. Журнал «Наука и транспорт», №3, 2012, с.22-24.

2. Балабин В.Н. Модульная конструкция перспективных автономных локомотивов. Сб-ник трудов «Современный транспорт: инфраструктура, инновации, интеллектуальные системы», Международная академия транспорта, Санкт-Петербург, 2012, с.66-70.

3. http://www.hydac.com.ru/brs.html