Prenosy výkonov

Článok publikovaný 14.11.2013 o 21:58
Autor:  Ing. Peter Bado, Doc. Ing. Daniel Kalinčák, Ph.D.
článok má 0 komentárov Môžete zanechať komentár.

Pod pojmom prenos výkonu hnacích koľajových vozidiel rozumieme zariadenie umiestnené medzi spaľovacím motorom a hnacími dvojkolesiami, ktorého úlohou je transformovať nevhodnú rýchlostnú charakteristiku spaľovacieho motora na vhodnejšiu trakčnú charakteristiku, čo najviac sa približujúcu trakčnej hyperbole.

PODKLADY PRE SPRACOVANIE TEJTO KAPITOLY POSKYTOL Doc. Ing. Daniel Kalinčák, Ph.D., ŽU v Žiline

 

      Požiadavky na prenos výkonu traťových strojov sú veľmi náročné, v istých ohľadoch náročnejšie ako u normálnych hnacích koľajových vozidiel. Vyplýva to z toho, že u traťových strojov v jazdnom (prepravnom) režime sú požiadavky na ich prenos výkonu obdobné ako u hnacích koľajových vozidiel. No okrem jazdného režimu traťový stroj, a preto je vlastne traťovým strojom, má pracovný režim, v ktorom sa na prenos výkonu kladú špecifické požiadavky, závislé do značnej miery od druhu konkrétneho traťového stroja.

        

         Okrem prenášaného výkonu je z hľadiska prenosu výkonu (a samozrejme z hľadiska funkčných vlastností traťového stroja) dôležitý jeho regulačný rozsah. Prenos výkonu by mal zabezpečiť traťovému stroju takú ťažnú silu, aby v jazdnom režime bol schopný rozjazdu a jazdy na predpísanom stúpaní s predpísanou záťažou (bez ohľadu na dosiahnuteľnú rýchlosť jazdy) a takú ťažnú silu, aby bol schopný s predpísanou záťažou dosiahnuť maximálnu požadovanú rýchlosť na vodorovnej trati. Pokiaľ ide o pracovný režim, tak tu je potrebné dosiahnuť veľkosť ťažnej sily a rýchlosť pohybu také, ako si to vyžaduje správna funkcia pracovných orgánov traťového stroja.

 

         Pretože rôzne traťové stroje majú veľmi odlišné funkčné určenie, a teda aj veľmi rozdielne požiadavky na prenos výkonu a aj na pohony pracovných orgánov, vedie to k používaniu rôznych systémov, často aj kombinovaných, prenosov výkonu. Pri voľbe druhu prenosu výkonu sa musí postupovať komplexne a uvážlivo s ohľadom na celý systém traťového stroja.

 

         Pri rozhodovaní o voľbe druhu prenosu výkonu sa berie do úvahy celý rad faktorov. Jednak sú to požiadavky na trakčné vlastnosti traťového stroja, veľkosť prenášaného výkonu, využívanie výkonu spaľovacieho motora, počet spaľovacích motorov, dostupnosť, cena a spoľahlivosť hlavných agregátov prenosu výkonu, ovplyvnenie koncepčného usporiadania traťového stroja, hmotnosť a rozmery agregátov prenosu výkonu, náročnosť na údržbu, tradície výrobcu traťového stroja a pod.

 

         V stavbe traťových strojov sa v zásade používajú všetky druhy prenosov výkonu, t. j. mechanický, hydrodynamický, resp. hydromechanický, hydrostatický, elektrický a pomerne často ich kombinácie.

 

 

Mechanický prenos výkonu

 

                Aj keď mechanický prenos výkonu má vysokú účinnosť, je relatívne jednoduchý a aj dostupnosť agregátov (hlavná prevodovka, kardanové hriadele, nápravové prevodovky) je relatívne dobrá, z hľadiska traťových strojov má nevhodné vlastnosti a vo svojej čistej podobe sa už u nových traťových strojov používa málo a ak, tak väčšinou u strojov typu motorový vozík. Aj pri týchto aplikáciách sa často dopĺňa o reverzačnú, prípadne aj o režimovú prevodovku. V prípade, že sa takéto vozidlo používa ako báza pre niektoré druhy ľahších traťových strojov (typickým príkladom je motorový univerzálny vozík MUV – 69), prípadne pri špecializovaných traťových strojoch (napríklad niektoré podbíjačky) sa často mechanický prenos kombinuje s hydrostatickým prenosom, ktorý pracuje väčšinou iba v pracovnom režime, ale niekedy sa hydromotor zaraďuje aj pred hlavnú raditeľnú mechanickú prevodovku (napr. ASP 400.1), prípadne sa pred hlavnú prevodovku zaraďuje hydrodynamický menič, čím sa však vlastne prechádza k hydromechanickému prenosu výkonu.


Mechanický prenos výkonu do značnej miery ovplyvňuje koncepčné usporiadanie traťových strojov, pretože je nevyhnutná mechanická väzba medzi spaľovacím motorom, jednotlivými agregátmi prenosu výkonu a hnacími dvojkolesiami.


Ako príklad použitia mechanického prenosu výkonu je možné uviesť univerzálny motorový vozík MUV – 69, ktorý sa ešte doteraz vo veľkom množstve používa u ČD i ŽSR jednak ako motorový vozík, ale aj ako báza pre viacero typov traťových strojov (zhutňovač štrku ZŠ – 72, pluh na úpravu štrkového lôžka PUŠL – 71, snehová fréza KSF – 70 a v niektorých ďalších modifikáciách).

 

      Medzi charakteristické vlastnosti mechanického prenosu výkonu patrí: 

 

         Okrem starších vozidiel (napr. lokotraktory T 211.0, T 212.0, motorové vozíky T14-52 atď.) sa mechanický prenos výkonu skúšal na prototype mo­torového vozíka MV 80 (motor T 928, 145 kW, 5o prevodovka TATRA so synchro­nizáciou a posilo­vačom radenia), avšak s nevyhovujúcimi výsledkami. Okrem iného pri väčších záťažiach (nad 150 t) bolo trvanie preklzovania hlavnej spojky pri rozjazde príliš dlhé, čím dochádzalo k jej prehrievaniu a významnému zníženiu jej životnosti.

 

1_1384619303461047002302521325282316912828102080889071156_0_clankyobrazky

Mechanický prenos výkonu MUV – 69

 1-motor, 2-jazdná prevodovka, 3-redukcia, 4-prídavná redukcia, 5-kĺbový hriadeľ krátky, 6-reverzačná prevodovka, 7-nápravová prevodovka, 8-kĺbový hriadeľ dlhý, 9-rám vozíka, 10-výsuvný rám hnacieho agregátu.

 

 

Elektrický prenos výkonu

  

          Elektrické prenosy výkonu sú najmä u ťažších traťových strojov pomerne rozšírené. V princípe sú obdobné ako u dieselelektrických hnacích koľajových vo­zidlách, avšak vzhľadom na nutnosť zabezpečenia pojazdu pri práci a elektrické po­hony aspoň časti pracovných orgánov, majú niektoré svoje špecifiká. Z druhov elek­trických prenosov sa používajú jednosmerné prenosy a novšie najmä zmiešané prenosy (alternátor a jednosmerné trakčné motory). Treba však poznamenať, že takmer vždy je aspoň časť pracovných orgánov poháňaná hydrostaticky, teda pri práci sa časť výkonu prenáša elektrickou a časť hydraulickou cestou (niekedy aj v sériovom zapojení, to znamená, že hydrogeneráry sú poháňané elektromotormi, čo je však z energetického hľadiska nevýhodné).

 

         Medzi traťové stroje používajúce elektrický prenos výkonu v ČR a SR patria napr. UK-25/18, MPD, SČP 200, DELČ 800, MV 80 DELTA, PA 300, PA 600, SČ 600, SČ 600 S, SZP-600, MVTV.

 

         Medzi výhody elektrického prenosu výkonu možno zaradiť voľnosť koncepčného uspo­riadania traťového stroja, dobrú možnosť regulácie, krátkodobú preťažiteľnosť, re­latívnu dostupnosť hlavných agregátov prenosu výkonu, nižšiu hlučnosť v porovnaní s hydrostatickým prenosom, ekologickú nezávadnosť, relatívne dobrú účinnosť (aspoň v jazdnom režime).

 

         Medzi nevýhody možno zaradiť väčšie rozmery a hmotnosť v porovnaní s hydrostatickým prenosom výkonu, spravidla nutnosť použitia aj ďalších druhov po­honov (najmä hydrostatických) na pohon niektorých pracovných orgánov traťových strojov.

 

 

Hydrostatický prenos výkonu

 

         Takmer každý traťový stroj má nejaký hydrostatický systém na pohon pra­covných orgánov. Preto je vcelku prirodzené, že sa pomerne často používa hydro­statický prenos výkonu aj na pohon pojazdu traťových strojov.

 

         Hydrostatický prenos výkonu principiálne pozostáva z hydrogenerátora a hy­dromotora spojených potrubiami a hadicami, pričom najmä pre väčšie prenášané výkony môže byť použité aj niekoľko hydrogenerátorov resp. hydromotorov.

 

         Hydrogenerátory sú spravidla piestikovej konštrukcie s axiálnymi piestikmi, pritom musia byť regulačné (výnimočne, ak sa hydrostatický pohon používa len pre pracovný pojazd, môžu byť aj konštantné). Hydromotory sa tiež používajú najčastej­šie s axiálnymi piestikmi a často tiež regulačné. Niekedy, najmä ak traťový stroj používa pri práci húsenicový pojazd, používajú sa pomalobežné hydromotory s radiálnymi piestikmi. Iné konštrukcie hydrostatických prevodníkov (lamelové, zubové a pod.) sa používajú iba zriedkavo.

 

         Hydrogenerátor (hydrogenerátory) je poháňaný spaľovacím motorom a to veľmi často cez prevodovku náhonu hydrogenerátorov, kde sú namontované tiež hydrogenerátory pohonov pracovných orgánov.

 

         Hydromotor (hydromotory), poháňajú hnacie dvojkolesia. V zásade je možné používať individuálny pohon, kde sú hydromotory spravidla namontované priamo do nápravových prevodoviek (tieto potom nemusia mať kúžeľové ozubené kolesá), alebo skupinový, resp ústredný pohon, keď je hydromotor (hydromotory) namontovaný do centrálnej prevodovky a nápravové prevodovky sú poháňané naj­častejšie pomocou kĺbových hriadeľov. V tomto prípade sa však stráca výhoda voľného koncepčného usporiadania traťového stroja. Tu opísané spôsoby usporia­dania hydrostatického prenosu výkonu sa týkajú najmä stredných a veľkých traťových strojov. Drobné traťové stroje a mechanizmy majú často riešený pohon hnacích kolies podstatne jednoduchšie.

 

         Súčasťou hydrostatického prenosu výkonu je aj olejové hospodárstvo (nádrž oleja, systém chladenia, filtrácie atď.), ktoré však býva často spoločné (aspoň čias­točne) aj pre ostatné hydrostatické pohony na traťovom stroji. Ďalšou veľmi dôležitou súčasťou hydrostatického prenosu výkonu, ktorá do značnej miery rozho­duje o jeho funkčných vlastnostiach, je jeho regulácia.

 

         Pre hydrostatické prenosy výkonu sa spravidla používajú, s ohľadom na jed­noduchosť reverzácie smeru jazdy hydraulickou cestou, uzavreté hydraulické ob­vody, ktorých súčasťou potom sú plniaci hydrogenerátor (spravidla zubový), prepúšťacie a poistné ventily, rozvádzače atď.

 

         Takýto hydrostatický prenos výkonu funguje v podstate ako prevodovka s plynule nastaviteľným prevodovým pomerom, ktorý (ak odhliadneme od premen­livej objemovej účinnosti hydrostatických prevodníkov) je daný nastaveným zdvi­hovým (geometrickým) objemom hydrogenerátora, prípadne aj hydromotora. Zdvi­hový ob­jem u regulačných hydrostatických prevodníkov sa mení buď zmenou sklonu opernej dosky, na ktorú sa opierajú klzátka axiálnych piestikov, alebo zried­kavejšie zmenou sklonu bloku rotujúcich valcov.

 

         V princípe u hydrostatického prenosu výkonu prebieha regulácia takto. Pri rozjazde z kľudu sa zväčšuje zdvihový objem (uhol sklon u opornej dosky), čím pri konštantných otáčkach spaľovacieho motora dochádza k zväčšovaniu prietoku oleja v hydraulickom okruhu. V prvej fáze rozjazdu, t.j. pri ešte stojacom, alebo pohýňa­júcom sa vozidle dochádza spravidla k nerovnováhe medzi dodávaným množstvom oleja z hydrogenerátora a hltnosťou hydromotora, ktorý ak je tiež regulačný, má v tomto režime nastavený najväčší možný zdvihový objem (hltnosť). V dôsledku toho v okruhu stúpa tlakový spád až na hodnotu danú nastavením poisťovacích ventilov a časť tlakovej kvapaliny preteká skratom (cez poisťovací ventil). Hydromotor, ktorý je nastavený na maximálny zdvihový objem vyvodzuje najväčší možný krútiaci mo­ment a teda na hnacích dvojkolesiach sa dosahuje naj­väčšia možná ťažná sila. S narastajúcou rýchlosťou jazdy rastie aj prietok oleja cez hydromotor, až pri určitej rýchlosti jazdy dôjde v okruhu k rovnováhe prietokov a poisťovací ventil sa uzavrie. Pri ďalšom zväčšovaní uhlu vyklonenia dosky hydrogenerátora dochádza ku zväčšovaniu prietoku (a k zmenšovaniu prevodového pomeru), zvyšovaniu rýchlosti jazdy a za predpokladu konštantného prenášaného výkonu aj k hyperbolickému poklesu tlakového spádu v okruhu. Takáto regulácia rýchlosti jazdy môže prebiehať až dovtedy, kým zdvihový objem hydrogenerátora nedosiahne svoje maximum. Toto je tzv. primárna regulácia.

 

         V prípade, že sa takto nedosiahne požadovaná maximálna rýchlosť jazdy, musí sa použiť aj sekundárna regulácia, ktorá vyžaduje použitie regulačných hydromotorov. V zásade sú tu možné dva spôsoby regulácie.

 

V prvom prípade sa zmenšuje uhol vyklonenia opornej dosky hydromotora plynule, čím klesá hltnosť hydromotora a pri konštantnom prietoku oleja okruhom sa musia zvyšovať otáčky hydromotora, a teda aj rýchlosť jazdy traťového stroja. Každý výrobca hydrostatických prevodníkov predpisuje určitú minimálne možnú hodnotu uhlu vyklonenia dosky hydromotora, pri ktorej môže trvale pracovať, a táto býva mechanicky obmedzená.

 

         V druhom prípade sa hltnosť hydromotora zmenší skokom, čím dôjde k porušeniu rovnováhy prietokov v okruhu, následkom čoho stúpne tlakový spád a je nutné zmenšiť uhol vyklonenia dosky hydrogenerátora tak, aby došlo k obnoveniu rovnováhy prietokov. Potom sa opäť reguluje rýchlosť jazdy na primárnej strane, až do dosiahnutia maximálneho sklonu dosky hydrogenerátora.

 

         Existujú aj ďalšie možnosti regulácie hydrostatického prenosu výkonu, ktoré sa však používajú zriedkavejšie.

 

         V minulosti, a na niek­to­rých traťových strojoch používaných ešte aj v súčasnosti, sa používala ručná regulácia, teda vyklonenie dosky hydrogenerátora sa ovládalo ručne (samozrejme prostred­níctvom hydraulických servovalcov). Takáto regulácia, presnejšie pove­dané ov­ládanie, sa používa napríklad u strojových vymieňačov podvalov SVP – 60, SVP – 74, strojových čističiek štrkového lôžka za hlavami podvalov SČH – 150. Táto regulácia je veľmi jednoduchá, ale zďaleka nie je dokonalá, pretože jej funkcia podstatne závisí od kvality a skúseností strojníka (ručné ovládanie však nemôže zaručiť dobré využívanie výkonu spaľovacieho motora, vyžaduje stálu pozornosť stroj­níka).

 

         Novšie sa presadzuje automatická regulácia hydrostatického prenosu výkonu (či už ide o analógové elektronické regulátory, alebo číslicové (mikroprocesorové) regulácie). V zásade úlohou tejto regulácie je udržiavať prenášaný výkon na nas­tavenej konštantnej hodnote nezávisle na zmenách jazdných odporov (pokiaľ to umožňuje veľkosť nastaveného výkonu). Teda automatická regulácia bez zásahu strojníka mení geometrické objemy hydrogenerátora, prípadne aj hydromotora, teda aj prevodový pomer prenosu a rýchlosť jazdy v závislosti na jazdných odporoch.

 

         Medzi výhody tohto druhu prenosu výkonu patria: jednoduchosť prerušenia toku výkonu (nastavením nulovej dodávky hydrogenerátora), veľmi jednoduchá reverzácia smeru jazdy (vyklonením opornej dosky hydrogenerátora v opačnom zmysle), možnosť hydrostatického brzdenia, malá hmotnosť (cca 0,3 až 1,5 kg/kW) a malé rozmery hydrostatických prevodníkov, voľnosť konštrukčného usporiadania traťového stroja, možnosť plynulej regulácie, možnosť jednotného druhu pohonu pracovných orgánov i pojazdu.

 

         Medzi nevýhody hydrostatického prenosu výkonu je možné zaradiť: veľkú citlivosť na nečistoty v hydraulickom oleji, citlivosť na veľké zmeny teploty pracovného prostredia, hlučnosť, nižšiu životnosť, možnosť znečis­tenia životného prostredia pri únikoch oleja, v prípade jednoduchého usporiadania okruhu veľmi obmedzená možnosť jazdy výbehom, obmedzený regulačný rozsah, nepreťažiteľnosť (ani krátkodobá).

 

 

Hydromechanický / dynamický prenos výkonu

 

          Hydrodynamický (HD) a hydromechanický prenos výkonu (HM) majú niektoré vlastnosti priaznivejšie ako mechanický prenos výkonu, avšak na druhej strane majú (najmä HD prenosy) nižšiu účinnosť. Niektoré nevhodné vlastnosti z hľadiska traťových strojov však ostávajú (ťažkosti pri zabezpečovaní pracovného režimu, obmedzenia koncepčného usporiadania a pod.).   Pod pojmom HD prenos výkonu rozumieme klasické usporiadanie s HD prevodovkou pozostávajúcou z niekoľkých HD meničov, prípadne HD spojok. Pod pojmom HM prenos výkonu rozumieme usporiadanie s jediným HD meničom a raditeľnou (spravidla pod výkonom) prevodovkou zaradenou za výstup z HD meniča, t.j. spojenú s turbínovým hriadeľom.

 

         U HM prenosu výkonu sa často používajú tzv. komplexné (dvojfázové) meniče s reaktorom uloženým na voľnobežke. Takýto menič po dosiahnutí spojkového bodu (t.j. po uvoľnení voľnobežky) pracuje vo funkcii HD spojky. Často je možné menič blokovať, to zna­mená pomocou vypínateľnej trecej spojky spojiť čerpadlový a turbínový hriadeľ. U moderných prevodoviek sa blokovanie meniča využíva na vyšších prevodových stupňoch takmer trvale (menič sa tu spravidla odblokuje iba na krátky čas počas preraďovania stupňov, aby sa zmiernili dynamické rázy v pohone), čím sa výrazne zvýši účinnosť tohoto prenosu výkonu, ktorý sa tu vlastne približuje, ba prekonáva mechanický prenos. Z hľadiska traťových strojov je dôležité, aby HM prevodovka bola konštruovaná tak, aby umožňovala odber dostatočne veľkého výkonu (nezávisle na režime práce pojazdu) zo vstupného hriadeľa pre pohon pracovných orgánov.

 

 

 

         Vlastnosti HM prenosu výkonu v jazdnom režime sú spravidla dobré, v pra­covnom režime u niektorých druhov traťových strojov (najmä s cyklickým pra­covným pohybom) nie sú vhodné. Tiež je tu ťažké udržať konštantnú rýchlosť pra­covného pohybu pri meniacich sa pracovných a jazdných odporoch. Preto sa MH prenos výkonu niekedy kombinuje s hydrostatickým pohonom.

 

 

 

 

Na ČD a ŽSR sa HM prenos výkonu používa napr. u motorových vozíkov DGKu – 5, MUV – 90 a MV – 79/80 (MV 79 na ČD, MV 80 (pôvodné označenie) na ŽSR), HD prenos výkonu bol použitý napr. u MVTV 3 (893, M 250.0). V klasickom usporiadaní HD prenosu (ako u motorových rušňov) sa tieto prenosy u traťových strojov prakticky ani nepoužívajú.

 

 

 

 

 

 

 

         Ako príklad HM prenosu výkonu je na  uvedená zjednodušená schéma pohonu MV – 78/80. Základ prenosu výkonu tvorí ústrojenstvo obdobné ako u motorového vozňa rady 810 (M 152.0), t.j. motor LIAZ ML 634 (154,9 kW) s prírubovo namontovanou automatickou hydromechanickou dvojstupňovou prevodovkou PRAGA 2 M 70.09 s meničom typu M 405 s možnosťou jeho blokovania. Radenie stupňov v prevodovke je pomocou trecích spojok, teda je možné radenie pod výkonom bez prerušenia ťažnej sily.

1_13846211781559157552608711655188753169613757660521305079768_0_clankyobrazky

Schéma prenosu výkonu motorového vozíka MV -79/80

 

         Výstup z hydromechanickej prevodovky je spojený kĺbovým hriadeľom so vstupom do pomerne zložitej prevodovky, ktorá umožňuje reverz, obsahuje režimovú prevodovku, má tiež vstup od hydrostatického motora (pre pracovné režimy, ktoré vyžadujú veľmi pomalý pohyb). Táto prevodovka tiež zabezpečuje vypínateľný náhon hydrogenerátorov a alternátora (50 kVA). Výkon na hnacie dvojkolesia s nápravovými prevodovkami sa privádza dvomi kĺbovými hriadeľmi. Tento prenos výkonu zabezpečuje motorovému vozíku pomerne široký rozsah rýchlostí V max = 80 km/h a V min = 4,5 km/h (pri blokovanom meniči).

 

         Ako je zo stručného opisu zrejmé to, že bola použitá automobilová hydro­mechanická prevodovka, vedie ku komplikovanej prevodovke, ktorá zabezpečuje tie funkcie, ktoré sú potrebné z hľadiska traťového stroja, a ktoré samozrejme použitá automatická hydromechanická prevodovka nemá. Preto sú pre traťové stroje vhod­nejšie prevodovky primárne určené pre zemné stroje, pretože tieto sú už spravidla reverzačné, majú vstavanú režimovú prevodovku a umožňujú bez problémov odber značného výkonu zo vstupného hriadeľa do prevodovky na pohon pracovných orgánov (najčastejšie pomocou náhonu hydrogenerátorov).

 

         Príkladom na použitie takéhoto typu prenosu výkonu je motorový vozík MUV – 90. Použitý je tu motor ZETOR 8602.1 s výkonom 116 kW pri 2200 ot/min. Na motor je prírubovo namontovaná meničová skupina PPS-MB-120 MTH s meničom typu M 350 s násobnosťou 3,4, ktorý je možné blokovať. Meničová skupina umožňuje montáž a pohon až 5 samostatných hydrogenerátorov pre potreby pracovných orgánov. Pohon hydrogenerátorov je odvodený od čerpadlového kolesa meniča, teda je nezávislý od jazdy vozíka. Výstup z meničovej skupiny je kĺbovým hriadeľom spojený so štvorstupňovou reverzačnou pla-nétovou prevodovkou 4PRA 162-A-E raditeľnou pod výkonom. Ovládanie prevodovky je elektrické. Určitou nevýhodou tejto prevodovky je to, že nemá presne rovnaké prevodové pomery pri jazde vpred a vzad. Na druhej strane má podstatne väčší rozsah (približne 1 : 7) oproti prevodovke PRAGA 2M70 (1 : 2,21) a samozrejme jemnejšie odstupňovanie.

 

         Pohon motorového vozíka MUV – 90 je príkladom na to, že je možné pre takéto typy traťových strojov zostaviť prenos výkonu v podstate so sériovo vyrábaných agregátov bez nutnosti konštrukcie špeciálnych zložitých prevodoviek ako v prípade MV 79/80.

 




Komentáre


Pridaj komentár