Тяговый подвижной состав

Движение поездов на железнодорожном транспорте осуществляется с помощью тягового подвижного состава. К нему относятся локомотивы и мотор-вагонный подвижной состав. Последний состоит из моторных и прицепных вагонов.

Локомотивы, у которых преобразование тепловой энергии, получаемой при сжигании топлива, в механическую производится установкой с паровым котлом и паровой машиной, называются паровозами.

Локомотивы с поршневыми двигателями внутреннего сгорания (дизелями) называются тепловозами, а с газотурбинными установками – газотурбовозами.

Паровозы, тепловозы и газотурбовозы являются автономными локомотивами.

У локомотивов и мотор-вагонного подвижного состава с неавтономной тягой (электровозов (рисунок 2.55) и электропоездов) первичная (электрическая) энергия поступает на локомотив и моторный вагон от внешних источников (от контактных тяговых проводов).

При электрической тяге мощность локомотивов не ограничена первичным двигателем, поэтому электровозы могут иметь большие мощности в сравнении с автономными локомотивами.

Рисунок 2.55 – Один из первых электровозов трехфазного тока, создан- ный в 1892 г.

Коэффициент полезного действия (КПД) локомотивов, характеризующий степень использования тепла сгорания топлива для получения полезной работы на электротяге

при питании от тепловых электростанций,

составляет 25–26 %. С учетом доли гидро-

электростанций КПД повышается до 32 %. КПД тепловозов составляет 29–31 %, а паровозов – 5–7 %.

По роду работы локомотивы подразделяются на грузовые (мощные), пассажирские (скоростные) и маневровые.

На электрифицированных линиях для перевозки пассажиров в пригородном сообщении используются электропоезда, на неэлектрифицированных линиях – дизель-поезда и автомотрисы.

Все эксплуатируемые и строящиеся локомотивы можно к л а с с и ф и –

ц и р о в а т ь по следующим признакам:

- по роду службы (выполняемой работы) – грузовые (рисунок 2.56), пассажирские (рисунок 2.57) и маневровые (рисунок 2 .58);

- по числу секций – одно-, двух- (сочлененные) и многосекционные (мотор-вагонные секции);

- по типу передачи – с электрической, гидравлической, гидромеханической, механической и непосредственной передачами.

Электрическая передача применяется в электровозах и в большинстве тепловозов; гидравлическая и гидромеханическая – в тепловозах; механическая – у маломощных тепловозов (мотовозов); непосредственная (кривошипно-шатунная) – у паровозов.

Рисунок 2.56 –Грузовой электровоз ВЛ80

Применение на электровозах и тепловозах тяговых

электродвигателей дает воз-можность использовать как индивидуальный, так и групповой привод. При индивидуальном приводе каждая движущая колесная пара соединена со своим тяговым двигателем зубчатой передачей. При групповом приводе движущие колесные пары, размещенные в одной жесткой раме, соединяются между собой промежуточными зубчатыми колесами.

Рисунок 2.57 – Пассажирский тепловоз ТЭП75

Расположение колесных пар в экипаже, род привода от тяговых двигателей к колесным парам и способ передачи тягового усилия принято выражать осевой характеристикой, в которой цифрами показывается

число колесных пар.

В формуле знак "–" означает, что

обе тележки несочленены – не связаны шарнирно, и тяговое усилие от движущих колесных пар в автосцепке локомотива передается через раму кузова. Знак "+" указывает, что тележки сочленены, и тяговое усилие передается через раму тележки. Если движущие колесные пары имеют индивидуальный привод, то к цифре, показывающей число осей, добавляется индекс "о".

Рисунок 2.58 – Маневровый тепловоз ТЭМ7

Электровоз ВЛ23 с характеристикой 3о + 3о представляет собой локомотив с двумя сочлененными трехосными тележками и с индивидуальным приводом движущих колесных пар.

Тепловоз с осевой характеристикой 2(3о - 3о) – двухсекционный локо-

мотив, каждая секция которого имеет две трехосные несочлененные тележки с индивидуальным приводом движущих колесных пар и может работать самостоятельно. Если же секции не могут работать самостоятельно, то осевая характеристика имеет вид 3о - 3о - 3о - 3о.

Под серией понимается локомотив одного и того же типа и одинаковой конструкции.

Для электровозов переменного (однофазного) тока установлена следующая нумерация: четырехосные – от ВЛ40 до ВЛ59 (ВЛ – Владимир Ленин); шестиосные – от ВЛ60 до ВЛ79; восьмиосные – от ВЛ80 до ВЛ99.

Электровозы постоянного тока нумеруются: шестиосные – от ВЛ19 до ВЛ39; восьмиосные – от ВЛ8 до ВЛ18;

Пассажирские электровозы чехословацкого производства на железных дорогах СНГ имеют серию ЧС. Электровоз ЧС200 обеспечивает скорость 200 км/ч. Новый электровоз ЧС8 может вести поезда из 23 пассажирских вагонов на участке с подъемом 25 ^о/_оо со скоростью 85 км/ч.

Модернизированные электровозы имеют индекс "м" (ВЛ22^м); электровозы с кремниевыми выпрямителями – индекс "к" (ВЛ60^к); электровозы с рекуперативным торможением – индекс "р" (ВЛ60^р); электровозы с реостатным торможением – индекс "т" (ВЛ80^т).

Конструкционная скорость современных электровозов находится в диапазоне 100–220 км/ч. Максимальная скорость для всех электровозов серии ЧС на 20 км/ч меньше конструкционной. Мощность часового режима – от 3150 до 9700 кВт. (Мощность часового режима – это наибольшая развиваемая на валу тягового двигателя мощность, при которой машина может работать в течение часа, начиная от холодного состояния.)

Серии тепловозов с электрической передачей имеют буквенное обозначение ТЭ, а с гидравлической – ТГ. В буквенное обозначение серий включают знак рода службы локомотива: П – пассажирский (ТЭП60), М – маневровый (ТГМ7). Цифра после букв соответствует нумерации выпуска. Например, тепловозам Коломенского завода присваивается номер от 50 до 99 (ТЭП60), тепловозам Харьковского завода – от 1 до 49 (ТЭ3, ТЭ10), Луганского (Ворошиловградского) завода – от 100 до 150 (2ТЭ116) (отступление: 2ТЭ10В – Ворошиловград, 2ТЭ10Л – Луганск).

На железных дорогах СНГ эксплуатируются около 20 серий и модификаций электровозов и 25 серий и модификаций тепловозов. Одним из самых мощных является двухсекционный восьмиосный электровоз переменного тока ВЛ80^р с плавным (бесступенчатым) регулированием скорости. По аналогичному принципу построен еще более мощный 12-осный электровоз ВЛ85^р для работы на линиях, электрифицированных по системе однофазного переменного тока напряжением 25 кВ. Он состоит из двух шестиосных секций. Может водить поезда массой 6000 т и более. Мощность локомотива – 10000 кВт, конструкционная скорость – 110 км/ч. В числе новых локомотивов грузовой электровоз ВЛ15 для вождения тяжеловесных поездов на линиях с напряжением 3000 В постоянного тока. Его мощность – 9000 кВт, конструкционная скорость – 110 км/ч. Среди тепловозов самый современный – 2ТЭ121 мощностью 5884 кВт с электрической передачей переменно-постоянного тока. Создан тепловоз 4ТЭ10С повышенной мощности для эксплуатации в суровых климатических условиях. Изготовлен тепловоз ТЭ126 для вождения грузовых поездов в условиях умеренного и холодного климата. На Брянском машиностроительном заводе (1988) выпущен маневровый тепловоз ТЭМ15 с уменьшенным расходом топлива.

Современные электровозы и тепловозы могут совершать пробег между экипировками в зависимости от массы поезда и профиля пути до 1200 км, а между техническими обслуживаниями – от 1200 до 2000 км.

Силы, действующие на поезд.На движущийся поезд действуют силы, разнообразные по величине, направлению и времени действия. Для удобства расчетов все внешние силы, оказывающие влияние на дви­жение поезда, объединяют в три группы и обозначают: F – сила тяги; W – силы сопротивления движе­нию; В – тормозные силы.

В тяговых расчетах пользуются либо полным значением этих сил, выраженным в кгс, либо их удель­ным значением, отнесенным к едини­це массы поезда (f, w, b).

Сила тяги создается двигателем локомотива во взаимодействии с рельсами, приложена к движущим колесам и всегда направлена в сторону движения поезда. Ее значе­ние регулируется в широких преде­лах машинистом, ведущим поезд.

Вращающий момент М двигателя (рисунок 2.59) создает пару сил F и f₁, действующих на плече R, равном радиусу колеса по кругу катания. Эти силы стремятся вращать колесо вокруг его оси. Для получения пос­тупательного движения нужна внеш­няя сила, приложенная к движущим колёсам. Такой силой является гори­зонтальная реакция рельса f₃, выз­ванная действием силы f₁. Численно силы f₂ и f₁ между собой равны и направлены в противоположные стороны.

Рисунок 2.59 – Схема образования силы тяги

Таким образом, сила реакции рельса f₂ уравновесила силу f₁ и тем самым освободила силу F для осуществления поступательного движения локомотива. На практике силой тяги локомотива принято назы­вать горизонтальную реакцию f₂,

приложенную от рельсов к ободу движущих колес и направленную в сторону движения. Поскольку эта сила направлена по касательной к окружности колеса, она получила название касательной силы тяги. Для локомотива в целом касатель­ная сила тяги определяется как сум­ма касательных сил, при-

ложенных ко всем движущим колесам локомо­тива, и обозначается f_к.

С увеличением вращающего мо­мента, приложенного к колесам локо­мотива, возрастает и сила тяги, од­нако лишь до тех пор, пока она не достигнет предельной силы сцепле­ния колес с рельсами. При даль­нейшем увеличении вращающего мо­мента сцепление между колесами и рельсами нарушается и колеса на­чинают буксовать. Сила сцепления зависит от коэффициента сцепления Ψ_к и сцепной массы локомотива Р_сц, т. е. от массы, приходящейся на движущие колесные пары. Наи­большая сила тяги локомотива, ко­торая может быть реализована по условиям сцепления колес с рельса­ми, составляет f_к≤1000Ψ_к Р_сц.

Коэффициент сцепления Ψ_к зависит от многих факторов, из кото­рых наиболее существенными явля­ются: род двигателя локомотива, скорость движения, состояние по­верхностей колес и рельсов, метеоро­логические условия. Применение пес­ка позволяет существенно увеличить коэффициент сцепления, а соответ­ственно и силу тяги локомотива. Расчетные значения коэффициента сцепления устанавливаются ПТР в зависимости от типа локомотива и скорости движения.

Значения силы тяги при различ­ных скоростях движения определяют по тяговым характеристикам локомо­тивов, которые составляют на основе данных, получаемых при тяговых ис­пытаниях. Эти характеристики изо­бражаются в виде диаграмм, опре­деляющих зависимость силы тяги f_к от скорости движения v при различных режимах работы двига­телей. На эти диаграммы наносятся указанное ограничение силы тяги по сцеплению, а также другие огра­ничения силы тяги, связанные с осо­бенностями локомотивов.

Расчет массы грузовых поездов. На движущийся поезд действует много постоянных и переменных сил, разнообразных по величине и направлению: сила тяжести вагонов и локо­мотива, сила тяги локомотива, а также силы сопротивления движению в сцепных приборах, от взаимодействия колес с рельсами в горизонтальной и вертикальной плоскостях, инерции и др. Под действием этих сил одно­временно с качением колес по рельсам имеет место виляние, галопирование, скольжение, наклон отдельных единиц подвижного состава в поезде.

Зависимость между равнодействующей названных сил и ускорением опи­сывается дифференциальным уравнением, называемым уравнением движения поезда.

При решении уравнения движения поезда из всех перемещений подвижно­го состава учитывают только поступательное и вращательное, например, якорей тяговых электродвигателей, зубчатых передач и колесных пар. Эти факторы определяют характер движения поезда.

При движении по участкам и в кривых изменяется сила сопротивления движению, а в режиме торможения на поезд действует еще и тормозная

сила.

В общем случае на движущийся поезд действует сила тяги локомотива F_к, суммарная сила основного и дополнительного сопротивления движению W_к и тормозная сила В_т . Результирующая сил, приложенных к поезду,

R = F_к ± W_к – В_т. (2.14)

Уравнение движения поезда, приведенное к 1 т его массы, имеет вид

(2.15)

гдеξ – ускорение движения поезда от действия удельной силы 1 кгс/т (для эксплуатационных расчетовξ = 120 км/ч²; f_к- удельная касатель­ная сила тяги локомотива; w_к – общее удельное сопротивление движению поезда; b_т – удельная тормозная сила поезда от действия тормозных ко­лодок.

Для частных случаев основное уравнение движения (2.2) упрощается и для движения в режиме тяги с равномерной скоростью приобретает вид

b_т = 0; ; f_к = w_к, (2.16)

или

F_к = W_к = (2.17)

Откуда

(2.18)

где Q и Р – соответственно масса состава и локомотива, т; и – соответственно основное удельное сопротивление движению локомотивов и вагонов, кгс/т; i_p – расчетный подъем (наиболее крутой и затяжной подъ­ем, который не может быть преодолен с использованием кинетической энер­гии поезда. Определяется с учетом дополнительного сопротивления от кри­вых, если они имеются на этом подъеме), ‰.

Устройство электровоза. Кузов электровоза (рисунок 2.60)служит для размещения в нем электрической аппаратуры и другого оборудования. Он опирается на тележки, на которых установлены тяговые двигатели, по одному для каждой оси. С помощью зубчатого привода вращающий момент от тяговых двигателей передается колесным парам.

Тележка электровоза состоит из рамы, колесных пар с буксами, рессорного подвешивания и тормозного оборудования.

Рисунок 2.60 – Электровоз серии ВЛ85

Применяется опорно-осевая и рамная подвески тяговых двигателей. Опорно-осевая подвеска вредно воздействует на путь, так как электродвигатель подрессорен только с одной стороны. На локомотивах с конструкционными скоростями свы-

ше 130 км/ч применяют рамную

подвеску тягового двигателя. При этом двигатель расположен над осью колесной пары и прикреплен к раме тележки, но здесь усложняется передача усилия от вала двигателя к колесной паре. Расположение основного оборудования на кузове электровоза приведено на рисунке 2.61.

Передача электроэнергии от контактного провода к силовой цепи электровоза осуществляется с помощью токоприемника (пантографа).

Электрическое оборудование электровозов. В качестве тяговых двигателей на электровозах постоянного тока в основном применяют двигатели с

Рисунок 2.61 – Расположение основного оборудования на кузове электровоза переменного тока: 1 – пульт управления; 2 – кабина машиниста; 3 – токоприемник; 4 – аппараты управления: 5, 7 – выпрямительные установки; 6 – трансформатор с переключателем ступеней; 8 – блок системы охлаждения; 9 – распределительный щит; 10 – мотор-компрессор; 11 – межсекционное соединение

последовательным возбуждением с номинальным U = 1500 В. Основным аппаратом управления электровоза является контроллер машиниста. Главная рукоятка контроллера служит для переключения тяговых электродвигателей с одной схемы соединения на другую и изменения пусковых соединений. С помощью реверсивной рукоятки изменяется направление движения электровоза. Вспомогательные машины – мотор-вентиляторы, мотор-компрессоры, мотор-гене-ратор и генератор тока управления, аккумуляторные батареи (резервный источник питания цепей управления).

Рисунок 2.56 – Принципиальное устройство электровоза

При постоянном токе напряжение контактной сети U = 3000 В. При переменном токе U = 25000 В и частота 50 Гц. При этом электровоз оборудуется понижающим трансформатором и выпрямительной установкой.

В местах стыкования однофазного напряжения 25000 В и постоянного U = 3000 В применяют электровозы с двойным питанием (ВЛ82, ВЛ82^м).

Устройство тепловоза. История создания тепловоза такова. 20 декабря 1921 года в газете "Известия" была напечатана статья А. Белякова "Новые пути оживления железнодорожного транспорта", в которой говорилось о "грузовиках, поставленных на рельсы". Статью прочел В. И. Ленин и предугадал в "грузовике на рельсах" новый тип локомотива. По инициативе Ленина Совет Труда и Обороны 4 января 1922 года принимает постановление о разработке проектов и строительстве тепловозов. Вскоре было утверждено бюро по постройке тепловозов, которое возглавил Я. М. Гаккель.

Проектирование тепловоза началось в декабре 1922 года. Строился первый отечественный тепловоз в Ленинграде на Балтийском судостроительном заводе. Ходовую часть для тепловоза поставил завод "Красный путиловец", а тяговые электродвигатели – завод "Электрик".

Не прошло и двух лет, как уникальная машина была готова. 5 августа 1924 года тепловоз вышел из ворот Балтийского судостроительного завода. А 7 ноября 1924 года первый в мире магистральный тепловоз мощностью 1000 лошадиных сил с электрической передачей совершил свой первый рейс по Октябрьской железной дороге от Ленинграда до станции Обухово и обратно.

Вот что сообщала по этому поводу газета "Вечерняя Москва": "На Октябрьской железной дороге была произведена первая проба тепловоза Гаккеля. Тепловоз быстро и плавно брал с места. Предполагается, что тепловоз сможет поднять до 80 000 пудов".

Постройка такого тепловоза была выдающейся победой. Весь мир был удивлен "металлическим чудом", которое сотворили советские люди в невероятно тяжелые 20-е годы, не имея ни опыта, ни специальной технической базы. Советский Союз стал родиной магистральных тепловозов.

Тепловоз (рисунок 2.62) состоит из следующих основных частей: экипажа (рама, тележки, колесные пары с буксами, рессорное подвешивание), кузова, первичного двигателя (дизеля), передачи, вспомогательного оборудования (топливная система, система смазки, охлаждения и т. д.).

Рисунок 2. 62 – Магистральный тепловоз 2ТЭ116

У большинства тепловозов рама опирается на две трехосные тележки через восемь боковых опор. В средней части главной рамы

расположена дизель-генераторная установка. На главной раме размещаются кабина, кузов, силовое и вспомогательное оборудование тепловоза.

Виды передач, применяемых на тяговом подвижном составе. Наиболее распространенной является электрическая передача, при которой усилие создается тяговым электродвигателем, соединенным шестеренчатой передачей с тяговой колесной парой. Такая передача используется на электроподвижном составе и в большинстве тепловозов. Коленчатый вал дизеля тепловоза вращает якорь тягового генератора, который вырабатывает электрический ток, поступающий в тяговые двигатели. Кроме того, тяговый генератор, питаясь от аккумуляторной батареи, работает в качестве электродвигателя при запуске дизеля.

Механическая передача подобна автомобильной и состоит из шестеренчатой коробки передач (скоростей), реверсивного устройства и муфты сцепления. Однако при переключении скоростей возникает резкое падение и возрастание силы тяги, что вызывает рывки в составе. Поэтому такая передача используется лишь в мотовозах, автомотрисах и дизельных поездах сравнительно небольшой мощности.

Гидравлическая передача (рисунок 2.63)не имеет недостатков, присущих механической передаче, она дешевле и проще электрической. Основными элементами гидравлической передачи являются гидротрансформаторы и гидромуфты.

Рисунок 2.63 – Схема гидропередачи

Принцип работы гидропередачиаключается в следующем. Вал 1 центробежного насоса 2 соединен с валом ведущего двигате­ля. При работе двигателя насос засасывает жидкость по трубе 10 из камеры 9 и подает ее через направ­ляющий аппарат по трубе 3 к турби­не 4, вал 5 которой связан с при­водным механизмом. Жидкость из турбины по трубе 6 попадает в ка­меру 7, которая соединена с всасы­вающей камерой 9 трубой 8. Из ка­меры 9 жидкость снова засасывается центробежным насосом и повторяет описанный выше путь. В гидромуф­те или гидротрансформаторе насос­ное колесо получает вращение от ва­ла дизеля, а турбинное колесо вра­щается за счет энергии потока рабо­чей жидкости, нагнетаемой рабочим колесом.

Локомотивное хозяйство обеспечивает перевозочную работу железных дорог тяговыми средствами и содержание этих средств в соответствии с техническими требованиями. К сооружениям и устройствам этого хозяйства относятся основные локомотивные депо, специализированные мастерские по ремонту отдельных узлов локомотивов, пункты технического обслуживания, экипировки локомотивов и смены бригад, базы запаса локомотивов. Под экипировкой понимают комплекс операций по снабжению их топливом, водой, песком, смазкой, обтирочными материалами, связанных с подготовкой локомотивов к работе.

Локомотивные депо – это основные производственные единицы локомотивного хозяйства Их сооружают на участковых, сортировочных ипассажирских станциях, выбираемых на основе технико-экономического сравнения различных вариантов. Депо, имеющие приписной парк локомотивов для обслуживания грузовых или пассажирских поездов, локомотивные здания, мастерские и другие технические средства для производства текущего ремонта, технического обслуживания и экипировки, называются основными.

Наряду с ними в целях совершенствования организации ремонта илучшего использования производственных мощностей на дорогах создают и ремонтные базы–депо, специализированные по видам ремонта и типам локомотивов. Например, подъемочный ремонт может быть сосредоточен в наиболее крупных и оснащенных депо при освобождении от этого вида ремонта остальных депо. Такие крупные ремонтные базы могут не иметь приписного парка локомотивов.

По виду тяги различают тепловозные, электровозные, мотор-вагонные, дизельные и смешанные депо. В крупных железнодорожных узлах со специализированными стан­циями (пассажирскими и сортиро­вочными) предусматривают от­дельные локомотивные депо для гру­зовых и пассажирских локомотивов.

В пунктах оборота локомотивы находятся в ожидании поездов для обратного следования с ними. За это время, как правило, производит­ся их техническое обслуживание, совмещаемое с экипировкой.

Пункты смены бригад предусмат­ривают преимущественно на участ­ковых станциях и размещают исходя из условия обеспечения нормальной продолжительности работы бригад.

Пункты экипировки располагают на деповской территории. Иногда экипировочные устройства разме­щают непосредственно на приемо-отправочных путях для производства операций без отцепки локомотива от поезда.

Пункты технического обслужива­ния локомотивов размещают как в локомотивных депо, так и в пунктах оборота и экипировки локомотивов.

Размещение и техническое осна­щение локомотивных депо, пунктов технического обслуживания локомо­тивов, мастерских, экипировочных устройств и других сооружений и устройств локомотивного хозяйства должны обеспечивать установленные размеры движения поездов, эффек­тивное использование локомотивов, высокое качество их технического обслуживания и ремонта, высокую производительность труда.

Все локомотивы, приписанные к дороге или депо и состоящие на их балансе, составляют так называемый инвентарный парк, который подраз­деляется на эксплуатируемый и не­эксплуатируемый. Эксплуатируемый парк состоит из локомотивов, нахо­дящихся в работе, в процессе эки­пировки, технического обслужива­ния, приемки и сдачи, а также в ожидании работы. Неэксплуатиру­емый парк составляют локомотивы, находящиеся в ремонте и резерве.