Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ

 

  Главная      Книги - Электровозы     Как устроен и работает электровоз (Сидоров Н.И., Сидорова Н.Н.) - 1988 год

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..      1       2         ..

 

 

 

 

 

Как устроен и работает электровоз (Сидоров Н.И., Сидорова Н.Н.)

 

 

 

ИЗДАНИЕ ПЯТОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

МОСКВА "ТРАНСПОРТ" 1988 год

 

 

 

 

Рецензент канд. техн. наук С. И. Осипов Редактор И. К. Петушкова
Сидоров Н. И., Сидорова Н. Н.

С 34 Как устроен и работает электровоз.— 5-е изд., перераб. и доп.— М.: Транспорт, 1988.— 223 с., ил., прилож.

ISBN 5-277-00191-3

В книге в доступной для читателя форме описаны устройство и работа электровозов, эксплуатируемых на железных дорогах Советского Союза. Даны основные понятия о схемах электрических цепей электровозов, принципах их чтения. Приведены краткие сведения об организации эксплуатации электровозов, об устройстве тяговых подстанций и контактной сети.

В пятом издании в отличие от предыдущего, вышедшего в 1980 г., рассмотрены электровозы новых серий, а также электронное .оборудование, устанавливаемое на электроподвижном составе.

Книга рассчитана на широкий круг читателей-железнодорожников, она может быть также полезна учащимся профтехучилищ и ученикам старших классов средней школы.
ББК 39.232
30-88
Издательство «Транспорт», 1988

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ



Электровоз представляет собой локомотив с электрическими тяговыми двигателями, получающий питание (электрическую энергию) через токосъемник от контактной сети.

На железных дорогах нашей страны большинство всех грузовых перевозок и значительная часть пассажирских осуществляется электровозами. Это объясняется тем, что электрическая тяга обеспечивает наиболее высокую пропускную и провозную способность железнодорожных участков и, более того, является единственно возможной на самых тяжелых участках железных дорог, в частности на Байкало-Амурской магистрали. На этой магистрали, играющей важную роль в ускорении развития производительных сил восточных районов страны и освоении их природных богатств, из-за сурового климата, многокилометровых тоннелей и наличия участков с очень тяжелым профилем практически очень сложно использовать тепловозы.

Развитие народного хозяйства страны предопределяет постоянный рост объема перевозок на железнодорожном транспорте. На многих полигонах сети интенсивность грузового и пассажирского движения очень высока, поэтому главным резервом увеличения пропускной способности грузонапряженных участков является увеличение массы поездов. Масса поездов на электрифицированных участках железных дорог повышалась по мере роста мощности электровозов, совершенствования их конструкции. Если средняя масса поезда по сети железных дорог в 1940 г. равнялась 1367 т, в 1955 г.— 2070 т, то в 1985 г. она составила 3033 т. К 1990 г. предусматривается повышение средней массы поезда не менее чем на 500 т. Чтобы добиться этого, необходимо, в частности, создать новые, более мощные электровозы.

Электровозы имеют различное электрооборудование в зависимости от системы электрической тяги (от рода тока — постоянного или переменного), от системы регулирования тяговых электродвигателей, их числа и единичной мощности, от наличия и вида электрического торможения и т. д. Некоторые особые требования, предъявляемые к электровозу, определяются спецификой его назначения — грузовой, пассажирский, маневровый. Все эти различия в устройстве электровозов, а также посто-янное обновление парка электропо-движного состава, по мере накопления опыта электрификации и развития соответствующих отраслей промышленности обусловили большое количество серий электровозов. Электровоз представляет собой очень сложную машину. Каждый из его узлов и аппаратов (для того чтобы перечислить их, потребуется несколько страниц) имеет определенное назначение. Согласованная работа этих узлов и аппаратов обеспечивается машинистом с помощью специального устройства управления.

Написано немало учебников об устройстве и работе электровозов, книг  по электровозам отдельных серий, по специальным вопросам, например электрооборудованию или механической части. Но все это — литература для специалистов, предполагающая предварительную теоретическую и практическую подготовку читателей.

В предлагаемой книге сделана попытка объяснить в доступной форме основные принципы устройства и работы электровозов читателю, не имеющему специальной подготовки. Поэтому изложение ведется в последовательности от сравнительно простых узлов к более сложным. Поясняется физический смысл различных явлений и процессов. Принципиальные схемы аппаратов и цепей электровоза, его механическая и пневматическая системы рассматриваются во многих примерах упрощенными, что позволяет лучше понять основные принципы их действия.

 Электровозы постоянного и переменного тока рассматриваются в книге параллельно. При этом установленные как на тех, так и на других аппараты, близкие по конструкции и принципу действия, а также унифицированное оборудование, рассматриваются применительно к электровозу одного рода тока и, если это необходимо, поясняются особенности аналогичного аппарата на электровозе другого рода тока.

Работа электровоза невозможна без внешнего источника питания — системы электроснабжения электрифицированных железных дорог, включающем в себя тяговые подстанции, контактную и рельсовую сети. Описание их устройства и работы даны в объеме, необходимом для понимания назначения и принципа их действия. В книге также очень кратко рассмотрены электропоезда, по устройству близкие к электровозам.

Предыдущее издание книги вышло в 1980 г. За это время на железных дорогах появились более совершенные электровозы, оснащенные новой техникой. В связи с этим возникла необходимость более подробно рассмотреть, например, систему рекуперативного торможения на электровозах переменного тока, выпускаемых серийно с 1980 г. Большее внимание уделено полупроводниковым устройствам, применяемым на электроподвижном составе. С учетом происшедшей смены поколений локомотивов даны новые примеры выполнения различных узлов, аппаратов и другого оборудование электровозов.

Изложение ведется с использованием Международной системы единиц (СИ). Наряду с ними используются и внесистемные единицы, например, массы — тонна (т), скорости — километры в час (км/ч). Следует упомянуть, что в утвержденных Министерством путей сообщения в 1980 г. Правилах тяговых расчетов для поездной работы применяется единица килограмм-сила (кгс) вместо ньютона (по согласованию с Госстандартом СССР). Поэтому в книге используются одновременно обе размерности силы.

Приведен словарь основных понятий и терминов, используемых в книге (приложение 1).

Как и в предыдущих изданиях, уровень изложения материала рассчитан на читателей, знакомых с основными законами и понятиями физики и электротехники, а также с принципами действия коллекторных машин постоянного тока и асинхронных трехфазных двигателей.

н. Н. СИДОРОВА

 

Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ

ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО С ЭЛЕКТРОВОЗОМ

 

 Электровозом называют локомотив, приводимый в движение электрическими двигателями, которые получают электрическую энергию через токоприемник от контактной сети. В контактную сеть электроэнергия поступает от тяговой подстанции. В зависимости от рода используемого тока различают электровозы постоянного тока и электровозы переменного тока. Есть также электровозы двойного питания постоянным и переменным током. В редких случаях электровоз получает электроэнергию от аккумуляторов (так называемые контактно-аккумуляторные электровозы), установленных на нем же. Электровозы имеют сложное механическое, электрическое и пневматическое оборудование.

К механической части электровоза относятся кузов и тележки. Тележка включает в себя раму, колесные пары с буксами, подвески тяговых двигателей, тяговые передачи, рессорное подвешивание, рычажно-тормозные передачи. Кузов электровоза специальными опорами (рис. 1), а иногда и рессорами опирается на тележки. Отечественные электровозы имеют две, четыре или шесть тележек. При двух тележках в каждой из них устанавливают три колесные пары (шестиосные электровозы), при четырех и шести тележках — две колесные пары (соответственно восьмиосные и двенадцатиосные электровозы). Рессорами и буксами с подшипниками рамы тележек связаны с ко-лесными парами. Благодаря рессорам уменьшается воздействие электровозов на путь, меньше изнашивается оборудование электровоза, так как снижается сила ударов, воспринимаемых им при прохождении стыков и неровностей пути.

Колесные пары электровозов приводятся во вращение двигателями, называемыми тяговыми. Валы двигателей соединяют с осями колесных пар зубчатыми передачами — редукторами. Колесные пары, приводимые во вращение тяговыми двигателями, называют движущими.

Широкое применение получил индивидуальный тяговый привод, при котором каждая колесная пара приводится во вращение своим тяговым двигателем. Такой привод осуществлен на всех электровозах, эксплуатируемых в СССР.

Один тяговый двигатель с помощью специального редуктора может приводить во вращение, например, две колесные пары — это так называемый групповой привод, или монопривод. В Советском Союзе был построен опытный электровоз с моноприводом. Однако его характеристики (как технические, так и экономические) оказались хуже, чем у электровозов с индивидуальным приводом. Поэтому производство таких электровозов было признано нецелесообразным.

Электрическая часть электровозов, кроме тяговых двигателей, содержит множество различных аппаратов, предназначенных для пуска тяговых двигателей, изменения скорости и направления движения локомотива, электрического торможения, защиты оборудования от перегрузок, перенапряжений и токов короткого замыкания. Конструкция этих аппаратов зависит от рода используемого тока, но, как и тяговые двигатели, они находятся под высоким напряжением

В соответствии с Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей, разработанными Министерством энергетики и электрификации СССР, по условиям электробезопасности различают электроустановки напряжением до 1000 В включительно и свыше 1000 В. Однако для краткости изложения будем пользоваться терминами «высокое напряжение» (в силовых цепях н цепях вспомогательных машин) и «низкое напряжение» (в цепях управления, сигнализации, освещения и т. д.)..

Управляют ими обычно дистанционно (на расстоянии) — из кабины машиниста. Это система косвенного управления. Она применена на всех отечественных магистральных электро-возах.

Рис. 1. Схематическое устройство электровоза 



В качестве источника тока низкого напряжения при системе косвенного управления используют генераторы управления или полупроводниковые преобразователи. От них, кроме низковольтных аппаратов (т. е. аппаратов низкого напряжения), получают энергию приборы освещения и заряжается аккумуляторная батарея.

Для управления многими аппаратами используется сжатый воздух. Его получают с помощью компрессоров. Чтобы привести в действие пневматические (воздушные) тормоза локомотива и состава, т. е. чтобы управлять ими, также используют воздух, сжимаемый компрессорами.

Тяговые двигатели, часть электрических машин и аппаратов, выделяющих при работе значительное количество тепла, охлаждают потоками воздуха, создаваемыми вентиляторами. Мощные трансформаторы на электровозах переменного тока охлаждают маслом, циркуляция которого обеспечивается центробежными насосами.

Вентиляторы, компрессоры и насосы (вспомогательные механизмы) приводятся в действие отдельными электрическими двигателями (моторами). Агрегат, состоящий из вспомогательного механизма и мотора, представляет собой вспомогательную машину и его принято называть соответственно мотор-вентилятором, мотор-компрессором, мотор-насосом. К вспомогательным машинам относятся и генераторы тока управления, которые обычно отдельных двигателей не имеют; их устанавливают на одном валу с каким-либо вспомогательным двигателем (например, с двигателем вентилятора).

Известно, что электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут работать в качестве как двигателей, так и генераторов. На многих электровозах при движении по спуску, а в некоторых случаях и перед остановками тяговые двигатели переключают для работы в качестве генераторов. При этом кинетическая энергия и потенциальная, запасенная в поезде, преобразуются в электрическую и передаются в контактную сеть. Этот процесс называется рекуперацией электрической энергии. Рекуперация используется для электрического торможения поезда. На части электровозов электрическая энергия, вырабатываемая в генераторном режиме, поглощается в резисторах, превращаясь в тепловую. Такой способ электрического торможения называют реостатным. Чтобы осуществить рекуперацию, на электровозах постоянного тока устанавливают специальные мотор-генераторы для возбуждения тяговых двигателей, без которых они не могут устойчиво работать как генераторы.

Электрическое оборудование электровозов, работающее под высоким напряжением, объединено в две электрические высоковольтные цепи — силовую цепь, включающую в себя тяговые двигатели, пусковую и регулирующую аппаратуру, и цепь вспомогательных машин со своей аппаратурой. Низковольтные электрические аппараты, с помощью которых управляют аппаратами силовой и вспомогательных цепей, объединены в цепь управления.

Основным аппаратом цепи управления является контроллер машиниста. Контроллер машиниста и некоторые другие низковольтные электрические аппараты размещены в кабине машиниста.

Пневматическое оборудование электровоза состоит из компрессоров, резервуаров для хранения сжатого воздуха, трубопроводов, пневматических приводов электрических аппаратов.

Все локомотивы, в том числе и электровозы, обязательно имеют автоматические тормоза, приводимые в действие сжатым воздухом, и ручные.

 

ПЕРЕМЕННЫЙ ИЛИ ПОСТОЯННЫЙ ТОК?



Электрические станции вырабатывают электрическую энергию трехфазного переменного тока, который передается на большие расстояния по трем проводам. Частота переменного тока, питающего промышленные установки, в разных странах различна. Она колеблется от 25 до 60 периодов в секунду (герц). В Советском Союзе, как и в большинстве стран, промышленная частота принята равной 50 Гц.

Вполне естественно, что для питания электровозов в первую очередь стремились применить трехфазный ток. В этом случае можно было бы установить на электровозах надежные и простые по устройству трехфазные асинхронные двигатели. Такие двигатели, созданные русским ученым М. О. Доливо-Добро-вольским, быстро завоевали всеобщее признание и получили широкое распространение в промышленности.

Но применить трехфазные двигатели на электрическом подвижном составе оказалось делом трудным. В этом случае необходимо подвешивать три контактных провода или два, используя в качестве третьего ходовые рельсы. Контактная сеть будет иметь очень сложное устройство, особенно на станциях при пересечении путей. Кроме того, питать двухпроводную контактную сеть напряжением выше 10 кВ практически невозможно, так как провода в этом случае необходимо располагать на большом расстоянии друг от друга. Трехфазная система была применена на некоторых дорогах в Италии, но широкого распространения она не получила.

Создать надежный однофазный двигатель переменного тока, получающий питание от одного контактного провода с использованием рельса в качестве второго провода, не удавалось. Правда, за рубежом в первый период введения электрической тяги все же устанавливали на электровозах однофазные двигатели, но питали их переменным током пониженной частоты (16*2/3 и 25 Гц). В условиях капиталистических стран, когда некоторые железнодорожные компании имели собственные электрические станции, или в тех странах, где стандартной является частота 25 Гц, такой путь электрификации был приемлемым.

 Однако строить электростанции, производящие электрическую энергию переменного тока пониженной частоты, специально для электрических железных дорог нерационально. Поэтому в Советском Союзе электрификация железных дорог на переменном токе пониженной частоты не осуществлялась. Требованиям, связанным с условиями работы электровозов, наиболее полно отвечают тяговые двигатели постоянного тока. Кроме того, эти двигатели достаточно экономичны, надежны и при сравнительно небольших габаритных размерах развивают необходимую мощность. В СССР, как и во многих других странах, долгое время электрифицировали железные дороги по системе постоянного тока напряжением 1500 и 3000 В. С 1967 г. в Советском Союзе все электрические железные дороги постоянного тока работают при напряжении 3000 В. Попутно отметим, что на посто-янном токе, но более низкого напряжения работает также городской электрический транспорт — трамваи, троллейбусы и метрополитены.

Локомотивы, к которым контактный провод подводит электрическую энергию постоянного тока, называют электровозами постоянного тока, а железнодорожные линии, на которых они работают,— электрифицированными железными дорогами постоянного тока, или, точнее, железными дорогами, электрифицированными по системе постоянного тока. Свыше 50% всех электрифицированных дорог на земном шаре электрифицировано по этой системе. Из 50 тыс. км электрифицированных железных дорог нашей страны более 27 тыс. км работает на постоянном токе.

Перевозки грузов и пассажиров же-лезными дорогами непрерывно растут. В двенадцатой пятилетке грузооборот железных дорог (т. е. масса грузов в тоннах, перевезенных за год, умноженная на расстояние их перемещения в километрах) должен возрасти на 8—10%, а объем перевозок пассажиров — на 7—9%. Освоить такой объем перевозок будет возможно лишь при техническом перевооружении железнодорожного транспорта, а также постоянном совершенствовании организации перевозок. Одним из средств, помогающих освоить быстро растущий объем перевозок, является увеличение массы поездов. Так, средняя масса поезда в 1940 г. была равна 1367 т, а в 1985 г. составила 3033 т, т. е. возросла более чем в 2 раза. 

Повышение массы поездов достигается благодаря использованию более мощных локомотивов. Так, мощность электровоза ВЛ19 — первенца нашего электровозостроения — составляла 2040 кВт, а мощность серийно выпускаемых современных электровозов превышает 8000 кВт (приложение 2), т. е. больше в 4 раза. Мощность электрово-зов повышают, увеличивая как число осей, а соответственно и число тяговых двигателей, приводящих их в движение (с шести до восьми и двенадцати), так и мощность двигателей (с 250— 400 кВт до 850—1050 кВт).

С повышением мощности электровозов растет потребляемый ими ток, а следовательно, падение напряжения и потери электрической энергии в контактной сети, если неизменны площадь сечения ее проводов и напряжение в контактном проводе. Чтобы уменьшить потери энергии, увеличивают площадь сечения проводов, но это вызывает большой расход дефицитного цветного металла. Лучше было бы, конечно, повысить напряжение, но при той же мощности локомотива тяговые двигатели и тяговая аппаратура будут гораздо сложнее и дороже, а надежность их работы снизится.

Поэтому вновь начали изучать возможности использования переменного тока для электрической тяги. Известно, что переменный ток обладает замечательным свойством: его можно трансформировать, т. е. повышать или понижать напряжение в очень широких пределах. Подводя высокое напряжение к контактному проводу, нетрудно понизить его с помощью трансформатора, установленного на электровозе, до оптимального по условиям работы тяговых двигателей и аппаратов.

А что если на самом локомотиве преобразовывать переменный ток, передаваемый по контактной сети, в постоянный? Тогда к контактным проводам можно будет подводить высокое напряжение, на электровозе понижать его и, преобразуя переменный ток в постоянный, питать им тяговые двигатели. Осуществить это оказалось возможным после освоения нашей промышленностью производства надежно действующих ртутных выпрямительных установок.

Электровозы с ртутными выпрямителями работали довольно долго, но они обладали многими недостатками, в частности низкой надежностью и плохими массогабаритными показателями, создавали ряд эксплуатационных неудобств.

Освоение массового производства кремниевых выпрямителей, значительное снижение их стоимости привели к тому, что на современных электровозах применяются исключительно полупроводниковые преобразовательные, установки. Кремниевые вентили при значительной мощности имеют небольшую массу, малые размеры, высоким коэффициент полезного действия (к. п. д.), устойчиво работают в широком диапазоне температур.

Для питания электровозов переменного тока применяют однофазный ток промышленной частоты при напряжении в контактном проводе 25 кВ. Железные дороги, где эксплуатируются такие электровозы, называют электрифицированными железными дорогами переменного тока, или, точнее, железными дорогами, электрифицированными по системе переменного тока промышленной частоты. Применение системы переменного тока промышленной частоты позволило создать мощные электрические локомотивы. Протяженность дорог переменного тока в нашей стране превышает 22 тыс. км.

 

 

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Электрифицированные железные дороги в нашей стране получают электроэнергию от энергосистем. Энергосистема — это совокупность крупных электрических станций, объединенных линиями электропередачи и совместно питающих потребителей электрической и тепловой энергией. Энергосистемы объединяют электростанции различных типов: тепловые, где используются разнообразные виды органического топлива, гидравлические и атомные.

Следует отметить, что нагрузки электрической тяги отличаются большой равномерностью, а это способствует более стабильной работе энергосистем. От Единой энергетической системы нашей страны питаются электрические магистрали европейской части страны, Урала, Сибири. Питание от мощных энергосистем обеспечивает бесперебойность снабжения электроэнергией потребителей, в том числе и электрического подвижного состава.

 

 

Рис. 2. Общий вид участка электрифицированной железной дороги постоянного тока и питающих ее устройств 

 

На рис. 2 изображена в несколько упрощенном для наглядности виде общая схема электроснабжения электрифицированной железной дороги условно от одной тепловой электростанции.

Трехфазный переменный ток напряжением 6—10 кВ от генераторов электростанции по кабелю проходит к повышающему трансформатору, здесь в зависимости от различных условий напряжение может быть повышено до 20, 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ. Эти номинальные значения напряжений предусмотрены действующими в СССР стандартами.

Затем ток по линии электропередачи (ЛЭП) проходит к потребителям, в данном случае к тяговой подстанции. Если произойдет короткое замыкание на линии электропередачи или возникнут недопустимые перегрузки, высоковольтный выключатель отключит ее от электрической станции. Этот же выключатель используют для снятия напряжения с линии, например, при ее осмотре.

Далее ток проходит через другой высоковольтный выключатель в первичную обмотку трансформатора тяговой подстанции, который понижает напряжение переменного трехфазного тока до значения, необходимого для нормальной работы электроподвижного состава (э. п. с.).

Устройство и работа тяговых подстанций дорог, электрифицированных на постоянном и переменном токе, резко различаются.

На тяговой подстанции постоянного тока, которая показана на рис. 2, переменный ток преобразуется в постоянный. Первоначально для этой цели использовали вращающиеся преобразователи, которые состояли из мощных двигателей переменного тока, установленных на одном валу с генераторами постоянного тока. Затем вместо тяжелых и громоздких машинных преобразователей стали применять ртутные выпрямители. В дальнейшем все ртутные выпрямители были заменены полупроводниковыми.

Выпрямленное напряжение через специальный защитный аппарат — быстродействующий выключатель — и питающую линию (фидер) подводится к контактной сети. При включенных тяговых двигателях электровоза ток от вторичном обмотки трансформатора проходит через выпрямитель, быстродействующий выключатель, фидер, контактную сеть, пускорегулирующие аппараты и тяговые двигатели в рельсы. Чтобы получить замкнутую электрическую цепь, рельсы соединяют отсасывающей линией с нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора.

Быстродействующий выключатель автоматически отключает фидер, а следовательно, и контактную сеть в случае перегрузки и коротких замыканий последней. Кроме того, иногда необходимо отключать контактную сеть (снимать с нее напряжение) для производства каких-либо работ, для чего также отключают быстродействующий выключатель. Следовательно, тяговые подстанции дорог постоянного тока служат для понижения напряжения, подводимого от ЛЭП, преобразования переменного тока в постоянный и распределения электрической энергии постоянного тока по участкам контактной сети.

Если железная дорога электрифицирована на переменном токе промышленной частоты, то тяговая подстанция предназначена для понижения напряжения, подводимого ЛЭП, и распределения электрической энергии по участкам контактной сети. На линиях, электрифицированных на переменном токе, замкнутый контур тока образуется присоединением одного конца первичной обмотки трансформатора, расположенного на электровозе, к контактной сети, а другого — к рельсу и далее через отсасывающую линию к подстанции. Устройство тяговых подстанций дорог переменного тока значительно проще, поскольку выпрямление напряжения для питания тяговых двигателей осуществляется на самом подвижном со-ставе.

Коэффициент полезного действия электрической тяги выражается произведением к. п. д. отдельных звеньев системы питания электрифицированной железной дороги: электростанции, линии электропередачи, тяговой подстанции, контактной сети и самого электровоза. Если энергия поступает от тепловой электростанции, к. п. д. которой примерно 35%, то полный к. п. д. электрической тяги составляет около 28%. С тем же примерно к. п. д. работают электрифицированные железные дороги, которые начали получать энергию от атомных электростанций. Гидроэлектростанции, к. п. д. которых достигает 85%, питают примерно одну пятую часть электрифицированных железных дорог; к. п. д. электротяги составляет при этом 60—62%.

 

НЕМНОГО ИЗ ТЕОРИИ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА

Теория движения поезда является составной частью прикладной науки о тяге поездов, изучающей вопросы движения поездов и работы локомотивов. Для более ясного понимания процесса работы электровоза необходимо знать основные положения этой теории.

Прежде всего рассмотрим основные силы, действующие на поезд при движении,— это сила тяги F, сопротивление движению W и тормозная сила В. Машинист может изменять силу тяги и тормозную силу; силой сопротивления движению управлять нельзя.

Как же образуются эти силы, от чего они зависят?

Мы уже говорили, что каждая движущая колесная пара электровоза имеет отдельный тяговый двигатель, который связан с ней зубчатым редуктором (рис. 3, а). Малое зубчатое колесо редуктора (шестерня) насажено на вал тягового двигателя, а большое — на ось колесной пары. Отношение числа зубьев большого колеса к числу зубьев малого называют передаточным отношением i. Если пустить в ход тяговый двигатель, то на его валу создается вращающий момент. Частота вращения колесной пары будет в i раз меньше частоты вращения вала двигателя, зато вращающий момент соответственно в i раз больше (если не учитывать коэффициента полезного действия зубчатой передачи).

Рассмотрим условия, необходимые для того, чтобы электровоз начал двигаться.

Если бы колеса электровоза не касались рельсов, то после пуска тяговых двигателей они бы просто вращались, оставаясь на одном и том же месте. Однако из-за того, что колеса локомотива соприкасаются с рельсами при передаче на оси колесных пар вращающих моментов М, между поверхностями колес и рельсами появляется сила сцепления.

Попутно отметим, что первоначально при создании первых локомотивов — паровозов вообще сомневались в возможности движения их по «гладкому» рельсовому пути. Поэтому было предложено создать зубчатое зацепление между колесами паровоза и рельсами (паровоз Бленкинсона). Был также построен локомотив (паровоз Брунтона), который передвигался по рельсам с помощью специальных устройств, поочередно отталкивающихся от пути. К счастью, эти сомнения не оправдались.

Момент М (см. рис. 3), приложенный к колесу, образует пару сил FK-FK' с плечом R. Сила Fк направлена против движения. Она стремится переместить опорную точку колеса относительно рельса в сторону, противоположную направлению движения. Этому препятствует возникающая под действием нажатия колеса на рельс в опорной точке сила реакции рельса, так называемая сила сцепления Fсц. Согласно третьему закону Ньютона она равна и противоположна силе Fк, т. е. Fсц= Fк. Эта сила и заставляет колесо, а следовательно, и электровоз перемещаться по рельсу.

В месте соприкосновения колеса с рельсом имеются две точки, одна из которых принадлежит бандажу Аб, а другая — рельсу АР. У электровоза, стоящего неподвижно, эти точки сливаются в одну. Если в процессе передачи колесу вращающего момента точка Аб сместится относительно точки Ар, то в следующее мгновение с точкой Ар начнут поочередно соприкасаться точки бандажа Бб, Вв и т. д. При этом локомотив не приходит в движение, а если он уже двигался, то скорость его резко уменьшается, колесо теряет упор и начинает проскальзывать относительно рельса — боксовать.

В случае когда точки Ар и Аб не имеют относительного смещения, в каждый последующий момент времени они выходят из контакта, но одновременно непрерывно вступают в контакт следующие точки: Б б с Бр, Вб с Вр и т. д.

Точка контакта колеса и рельса представляет собой мгновенный центр вращения. Очевидно, что скорость, с которой перемещается вдоль рельсов мгновенный центр вращения, равна скорости поступательного движения локомотива.

Для осуществления движения электровоза необходимо, чтобы сила сцепления в точке касания колеса и рельса Fсц, равная, но противоположная по направлению силе Fк, не превышала некоторого предельного значения. До тех пор, пока оиа его не достигла, сила Fcц создает реактивный момент FcцR, который по условию равномерного движения должен равняться вращающему моменту: М= FcцR.

Сумма сил сцепления в точках касания всех колес электровоза определяет общую силу, называемую касательной силой тяги Fк. Нетрудно представить, что имеется некоторая максимальная сила тяги, ограничиваемая силами сцепления, при которой еще не происходит боксование.
 

 

 

Рис. 3. Схемы, поясняющие образование силы тяги (а) и тормозной силы (б) 

 

Возникновение силы сцепления несколько упрощенно можно объяснить следующим образом. На кажущихся гладкими поверхностях рельсов и колес имеются неровности. Так как площадь соприкосновения (контактная поверхность) колеса и рельса очень мала, а нагрузка от колес на рельсы значительна, то в месте контакта возникают большие давления. Неровности колеса вдавливаются в неровности на поверхности рельсов, в результате чего происходит сцепление колеса с рельсом.

Установлено, что сила сцепления прямо пропорциональна силе нажатия — нагрузке от всех движущихся колес на рельсы. Эту нагрузку называют сцепным весом локомотива.

Для подсчета наибольшей силы тяги, которую может развить локомотив, не превышая силы сцепления, кроме сцепного веса, необходимо еще знать коэффициент сцепления. Умножив сцепной вес локомотива на этот коэффициент, определяют силу тяги.

Проблеме максимального использования силы сцепления колес с рельсами посвящены работы многих ученых и практиков. Окончательно она не решена до сих пор.

Чем же определяется значение коэффициента сцепления? Прежде всего он зависит от материала и состояния соприкасающихся поверхностей, формы бандажей и рельсов. С повышением твердости бандажей колесных пар и рельсов коэффициент сцепления увеличивается. При мокрой и загрязненной поверхности рельсов коэффициент сцепления ниже, чем при сухой и чистой. Влияние состояния поверхности рельсов на коэффициент сцепления можно проиллюстрировать следующим примером. В газете «Труд» от 13 декабря 1973 г. в заметке «Улитки против паровоза» сообщалось о том, что один из поездов в Италии был вынужден остановиться  на несколько часов. Причиной задержки оказалось огромное количество улиток, переползающих через железнодорожное полотно. Машинист пытался провести поезд через эту движущуюся массу, но безуспешно: колеса боксовали и он не мог сдвинуться с места. Лишь после того, как поток улиток поредел, поезд смог тронуться.

Коэффициент сцепления зависит также он конструкции электровоза — устройства рессорного подвешивания, схемы включения тяговых двигателей, их расположения, рода тока, состояния пути (чем больше деформируются рельсы или проседает балластный слой, тем ниже реализуемый коэффициент сцепления) и других причин. Как влияют эти причины на реализацию силы тяги, будет рассказано далее в соответствующих параграфах книги. Коэффициент сцепления зависит также от скорости движения поезда: в момент трогания состава он больше, с возрастанием скорости реализуемый коэффициент сцепления сначала несколько увеличивается, затем падает. Как известно, значение его изменяется в широких пределах — от 0,06 до 0,5. Вследствие того что коэффициент сцепления зависит от многих причин, для определения мак-симальной силы тяги, которую может развивать электровоз без боксования, пользуются расчетным коэффициентом сцепления Ψк. Он представляет собой отношение наибольшей силы тяги, надежно реализуемой в условиях эксплуатации, к сцепному весу локомотива. Расчетный коэффициент сцепления определяют по эмпирическим формулам, зависящим от скорости; они получены на основании многочисленных исследований и опытных поездок с учетом достижений передовых машинистов.

При трогании с места, т. е. когда скорость равна нулю, коэффициент Ψ

K у электровозов постоянного тока и двойного питания составляет 0,34 (0,33 для электровозов серии ВЛ8) и 0,36 для электровозов переменного тока. Так, для электровоза двойного питания ВЛ 82м, сцепной вес которого Р= 1960 кН (200 тс), касательная сила тяги FK с учетом расчетного коэффициента

 

Fк= PΨк= 1960 *0,34= 666 кН (68 тс).

Если поверхность рельсов загрязнена и коэффициент сцепления понизился, допустим, до 0,2, то сила тяги Fк составит 392 кН (40 тс). При подаче песка этот коэффициент Ψк может возрасти до  прежнего значения и даже превысить его. Особенно эффективно применение песка при малых скоростях движения: до скорости 10 км/ч на мокрых рельсах коэффициент сцепления увеличивается на 70—75%. Эффект от применения песка снижается с ростом скорости.

Очень важно обеспечить при трогании и движении наибольший коэффициент сцепления: чем он выше, тем большую силу тяги может реализовать электровоз, тем большей массы состав можно будет вести.

Сопротивление движению поезда W возникает вследствие трения колес о рельсы, трения в буксах, деформации пути, сопротивления воздушной среды, сопротивления, обусловленного спусками и подъемами, кривыми участками колеи и т. п. Равнодействующая всех сил сопротивления обычно направлена против движения и лишь на очень крутых спусках совпадает с направлением движения.

Сопротивление движению разделяют на основное и дополнительное. Основное сопротивление действует постоянно и возникает, как только поезд начинает двигаться; дополнительное обусловлено уклонами пути, кривыми, температурой наружного воздуха, сильным ветром, троганием с места.

 

 

Рис. 4. Силы, действующие на поезд в режиме тяги 

 

Вычислить отдельные составляющие основного сопротивления движению поезда очень сложно. Обычно его подсчитывают для вагонов каждого типа и локомотивов разных серий по эмпирическим формулам, полученным на основании результатов многих исследований и испытаний в различных условиях. Основное сопротивление возрастает по мере увеличения скорости. При больших скоростях в нем преобладает сопротивление воздушной среды.

Учитывая основное сопротивление движению локомотива W', кроме касательной силы тяги электровоза, вводят понятие силы тяги на автосцепке Fп (рис. 4): Fn= Fк- W'. При условии равномерного движения Fп= W", где W" - сопротивление движению состава. (Сформированные и сцепленные вагоны называют составом. Состав же с одним или несколькими действующими локомотивами, имеющими установленные сигналы, называют поездом.)

В процессе ведения поезда для уменьшения скорости, остановки или для поддержания его постоянной скорости на спусках применяют тормоза, создающие тормозную силу В. Тормозная сила образуется вследствие трения тормозных колодок о бандажи колес (механическое торможение) или при работе тяговых двигателей в качестве генераторов. В результате прижатия тормозной колодки к бандажу силой К (см. рис. 3, б) на нем возникает сила трения Т=φк, где φк — коэффициент трения. Благодаря этому образуется сила сцепления В на бандаже в точке его соприкосновения с рельсом, равная силе Т. Сила В является тормозной: она препятствует движению поезда.

Максимальное значение тормозной силы определяется теми же условиями, что и силы тяги Fк. Чтобы избежать юза (скольжение без вращения колес по рельсам) при торможении, должно быть выполнено условие
 

 

 

 

Рис. 5. Кривая изменения скорости при движении поезда на перегоне 

 

 

 

 

 

Коэффициент трения тормозных колодок о бандаж зависит от скорости движения, удельного нажатия колодок на колесо и их материала. Этот коэффициент с повышением скорости и удельного нажатия уменьшается вследствие повышения температуры трущихся поверхностей. Поэтому применяют двустороннее нажатие на колеса при торможении.

В зависимости от приложенных к поезду сил различают три режима движения поезда: тяга (движение под током), выбег (без тока), торможение.

В момент трогания и в период дальнейшего движения под током на поезд действуют сила тяги FK и сопротивление движению поезда W. Характер изменения скорости в зависимости от времени на участке кривой ОА (рис. 5) определяется разностью сил Fк и W, называемой ускоряющей силой тяги. Чем больше эта разность, тем больше ускорение поезда. Сопротивление движению, как уже было отмечено,— величина переменная, зависящая от скорости. С увеличением скорости оно возрастает. Поэтому если сила тяги неизменна, ускоряющая сила тяги будет уменьшаться. После некоторой точки О' сила тяги уменьшается. Затем наступает такой момент, когда FK= W и поезд под током двигается с постоянной скоростью (участок кривой АБ).

Далее машинист может отключить двигатели и продолжить движение на выбеге (участок БВ) за счет кинетической энергии поезда. При этом на поезд действует только сила сопротивления движению W, снижающая его скорость, если поезд не движется по крутому спуску. При включении машинистом тормозов (от точки В до точки Г) на поезд действуют две силы — сопротивление движению W и тормозная сила В. Скорость поезда снижается. Сумма сил В и W представляет собой замедляющую силу. Возможен и такой случай движения, когда поезд движется по крутому спуску и машинист использует тормозную силу для поддержания постоянной допустимой скорости.

 

 ЭТАПЫ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

В 1921 г. Советское правительство утвердило важный документ — план ГОЭЛРО (государственный план электрификации России). Этим планом для установления наиболее рациональной связи между главными промышленными районами РСФСР признавалось необходимым превратить в сверхмагистрали с последующей электрификацией их же-лезнодорожные линии Петроград — Москва — Курск — Донецкий бассейн — Мариуполь (через Харьков или Купянск), Кривой Рог — Александрова — Чаплино — Дебальцево — Лиски — Царицын и Москва — Нижний Новгород с продолжением в будущем их на Урал и в Сибирь.

6 июля 1926 г. торжественно было открыто движение электропоездов на первом в СССР электрифицированном железнодорожном участке Баку — Са-бунчи — Сураханы, который соединил городе нефтяными промыслами. Протяженность участка составила 20 км; он был электрифицирован по системе постоянного тока напряжением 1200 В. Вместе с тружениками Азербайджана это событие отмечала вся страна. Строителей электрифицированного участка приветствовали С. М. Киров, Г. К- Орджоникидзе и Г. М. Кржижановский.

Спустя три года, 26 августа 1929 г., первая электричка от Москвы до Мытищ отправилась в путь.

Планом ГОЭЛРО намечалось электрифицировать 3,5 тыс. верст железных дорог. Сегодня, как уже отмечалось, контактные провода подвешены почти на 50 тыс. км стальных магистралей.

 Это составляет примерно третью часть железнодорожной сети, но на нее приходится свыше 60% всего грузооборота железных дорог страны. Осуществить это могло только государство, имеющее высокоразвитые электротехническую промышленность, приборостроение, машиностроение, металлургию и энергетику, а главное — талантливых ученых, опытных инженеров, строителей, монтажников.

Электрифицированные стальные магистрали составляют основной транспортный скелет страны, они обеспечивают низкую стоимость перевозок и обладают высокой провозной способностью.

Удельный расход топлива в условном исчислении при тепловозной тяге в грузовом движении составляет примерно 43 кг на 10 тыс. т*км брутто, а при электровозной тяге тот же расход топлива, отнесенный к электростанциям, равен 34,5 кг, т. е. на 8,5 кг меньше. При этом на электростанциях используется, как правило, дешевое низкосортное топливо, а на тепловозах — высококачественное дизельное.

Электрификация железных дорог — не узкая транспортная задача. Она решает важные социально-экономические проблемы. Так, коренным образом изменились условия труда локомотивных бригад, исчезли многие профессии с тяжелыми и вредными условиями труда: кочегары, промывальщики котлов и т. д. В зоне электрических магистралей, особенно на станциях и вокзалах, стал чище воздух, так как не происходит загрязнения его продуктами сгорания. С увеличением доли электроэнергии, производимой на гидро- и атомных станциях, преимущества электрического транспорта с точки зрения охраны окружающей среды будут еще более ощутимы. В сельских районах, где проходят электрифицированные железные дороги, закрыты тысячи мелких дизельных электростанции.

Ежегодно на тягу поездов расходуется 56 млрд. кВт-ч электрической энергии, что составляет 3,7% от общего потребления ее в народном хозяйстве, и 11 млн. т дизельного топлива, или 13,4% общего его расхода. На долю топлива и энергии приходится более 20% себестоимости перевозок. Эти цифры говорят о важности бережливого отношения к электроэнергии и топливу.

Замечательное свойство электрических локомотивов — способность возвращать часть затраченной энергии путем рекуперативного торможения — помогло железнодорожникам сберечь много электроэнергии.

Осуществлен переход от выборочной электрификации отдельных грузонапряженных и трудных по профилю и климатическим условиям участков к электрификации целых направлений и магистралей, таких как Москва — Смоленск — Минск — Брест, Москва — Киев — Чоп (соединяется с электрифицированными линиями ЧССР и ПНР), Москва — Симферополь, Ленинград — Тбилиси, Москва — Иркутск — Шилка, Кузбасс — Тайшет — Северобайкальск и др.

Широкая электрификация железных дорог требует непрерывного пополнения локомотивного парка современными электровозами. Построить их непросто — нужны специальные, оснащенные по последнему слову техники заводы.

Почетное задание сконструировать и построить первый советский электровоз было дано в начале 30-х годов московскому электромашиностроительному заводу «Динамо» и Коломенскому машиностроительному заводу тяжелого машиностроения. Вся страна с напряженным вниманием следила за выполнением этого задания. Редакция газеты «Правда» создала на заводе «Динамо» постоянный пост. Его сообщения печатались ежедневно. К 15-й годовщине Великой Октябрьской социалистической революции, 6 ноября 1932 г., из ворот завода вышли два первых советских электровоза. По предложению динамовцев им была присвоена серия В Л — Владимир Ленин. Первенцы — электровозы ВЛ19— обладали солидной по тем временам мощностью 2040 кВт.

В первой послевоенной пятилетке начал выпускать электровозы Новочеркасский электровозостроительный завод (НЭВЗ), а выпуск пригородных электропоездов освоил Рижский вагоно-строительный завод (РВЗ). В 1957 г. строительство мощных электровозов было налажено также на Тбилисском электровозостроительном заводе (ТЭВЗ). Советский Союз сегодня занимает первое место в мире по их производству. Кроме того, по плану взаимного сотрудничества в рамках Совета Экономической Взаимопомощи Чехословацкая Социалистическая Республика поставляет Советскому Союзу пассажирские электровозы.

Электровозы, работающие на дорогах нашей Родины, в зависимости от их конструкции и страны, где они построены, подразделяют на серии. В обозначения серий всех отечественных электровозов входят буквы ВЛ и затем цифры: например, ВЛ60, ВЛ80, ВЛ85 — электровозы переменного тока соответственно шестиосные, восьмиосные и двенадцатиосные; ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 — восьмиосные постоянного тока; ВЛ19, ВЛ22, ВЛ23 — шестиосные постоянного тока; ВЛ15 — двенадцатиосный электровоз постоянного тока.

 

Кроме того, в необходимых случаях добавляют буквы: м — модернизиро-ванный (например, ВЛ22М); у — увеличенная нагрузка от оси на рельс (ВЛ10У); п — пассажирский (ВЛ60П); к — с кремниевыми выпрямителями (ВЛ80К); р — с рекуперацией электрической энергии (ВЛ60Р, ВЛ80Р); т — с реостатным торможением (ВЛ80Т); с — с возможностью работы двух электровозов по системе многих единиц в режимах тяги и реостатного торможения (BЛ80C); в — с вентильными тяговыми двигателями (ВЛ80В); а — с асинхронными тяговыми двигателями (ВЛ80а).

Начиная с 1968 г. все электровозы переменного и постоянного тока, изготавливаемые в СССР для отечественных железных дорог, выполняются как минимум восьмиосными. Серийно выпу-скаются следующие электровозы: постоянного тока с рекуперативным торможением— ВЛ10У в двухсекционном исполнении и ВЛ11, который может быть сформирован из двух и трех секций, а также работать по системе многих единиц (два двухсекционных электровоза); переменного тока — ВЛ80С с реостатным торможением и ВЛ80Р с рекуперативным торможением.

В двенадцатой пятилетке планируется серийное производство новых, бо-лее мощных электровозов постоянного тока ВЛ15 и переменного тока ВЛ85, имеющих унифицированную механическую часть и состоящих из двух одинаковых шестиосных секций. Они будут оборудованы системой электрического рекуперативного торможения, автоматическим управлением режимами движения.

Необходимость в восьмиосных пассажирских локомотивах вызвана повышением числа вагонов, а следовательно, и массы пассажирских поездов. 

Кроме того, на некоторых участках, где стыкуются системы постоянного и переменного тока, эксплуатируются электровозы двойного питания: восьмиосные ВЛ82 и ВЛ82М.

Однако в силу ряда обстоятельств они не получили распространения. Более целесообразным оказался способ строительства специальных станций стыкования на границах участков, электрифицированных на постоянном и  переменном токе.

Пассажирские электровозы, построенные на заводах Чехословакии, имеют в обозначении серии буквы ЧС, к которым добавляются цифры: ЧС1 и ЧСЗ — четырехосные электровозы постоянного тока; ЧС2 — шестиосные постоянного тока; ЧС6, ЧС7, ЧС200 — восьмиосные постоянного тока; ЧС4 — шестиосные переменного тока; ЧС8 — восьмиосные переменного тока.

Некоторые технические данные отечественных электровозов приведены в приложении 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание      ..      1       2         ..

 

 

///////////////////////////////////////