Краткий исторический обзор возникновения и развития железнодорожного транспорта в России и за рубежом 25 страница

С 1992 г. проводится работа по составлению технического зада­ния на проектирование российско­го высокоскоростного поезда, по­лучившего название «Сокол». Этот поезд будет эксплуатироваться на скоростных линиях железных до­рог России со скоростями до 160—

200 км/ч, хотя он рассчитан на 250—350 км/ч, до сооружения ВСМ Санкт-Петербург—Москва.

Наиболее предпочтительными для организации высокоскоростного движения считаются электрифицированные линии: Москва—Санкт-Петербург; Санкт-Петербург—Хельсинки; Мос­ква—Нижний Новгород; Москва—Минск—Брест; Москва—Брянск—Киев; Москва—Белго­род—Харьков; Екатеринбург—Омск—Новосибирск, а также более сложные участки: Моск­ва—Ростов, Москва—Самара, Москва—Ярославль, Санкт-Петербург—Мурманск.

Моторвагонный состав поезда «Сокол» (рис. 5.34) формируется из трехвагонных сек­ций: базовый 12-вагонный вариант составлен из четырех секций.

Рис. 5.34. Высокоскоростной поезд «Сокол»: а - общий вид; б--тележка вагона

Планировки вагонов поезда «Сокол» приведены на рис. 5.35.

Прицепной, моторный и трансформаторный вагоны име­ют длину 26 м, головной: — 27 м, ширину вписывания в габарит 1-Т — 3120 мм. Каждая трехва­гонная секция включает полный комплект тягового, тормозного и контрольного оборудования. Особенность оборудования поез­да и конструкций вагонов заклю­чается в следующем.

^ tM. J ftm «яиь Мк *—» Цетг- Цааг' Щаг''^iiwF^'iew' W «::::-'*~У ■

Кузова вагонов цельносвар­ной и цельнонесущей конструк­ции выполнены из панелей и про­филей, изготовленных из алюми­ниевых сплавов. Кузов разделен полом на две части: пассажирс­кий салон и подвагонный отсек, служащий для размещения обору­дования. Все вагоны, кроме го­ловного, имеют одинаковые внутренние размеры пассажирс­ких салонов.

Рис. 5.35. Планировки вагонов поезда «Сокол»: а — головного с салоном 1 класса; б — моторного с салоном 1 класса; в — при­цепного с салоном 2 класса; а — трансформаторного с баром и салоном 1 класса

В каждой концевой части ку­зова в районе тамбура предусмот­рены так называемые «жертвен­ные части», имеющие понижен­ную прочность по сравнению с основной частью конструкции. Эти части при аварийных соуда­рениях вагонов, начиная дефор­мироваться, гасят значительную часть энергии удара, что повыша­ет безопасность пассажиров в аварийных ситуациях.

Тормозная система поезда «Сокол» включает в себя электри­ческие и дисковые фрикционные тормоза. Тормозные диски распо­ложены на осях колесных пар те­лежек прицепных вагонов и на валу редуктора тележек моторных вагонов. При экстренном торможении в качестве до­полнительного служит магниторельсовый тормоз. Тележки моторных и прицепных ваго­нов оборудованы антиблокировочной системой, обеспечивающей максимально допусти­мое тормозное усилие при любом коэффициенте сцепления колес с рельсами, уменьшение расхода воздуха в тормозной магистрали, увеличение срока службы электрических клапа­нов. Система оснащена встроенным контролем всех элементов .

Питание сетей освещения, устройств кондиционирования воздуха и другого оборудо­вания вагонов обеспечивается комплексом преобразователей собственных нужд, в кото­рый входят высоковольтный преобразователь, питаемый непосредственно от контактной сети постоянного тока 3 кВ или через трансформатор от сети переменного тока 25 кВ, и обратный преобразователь, предназначенный для поддержания нормального режима за­ряда аккумуляторной батареи.

Салоны вагонов первого и второго классов поезда «Сокол» оснащены мягкими мес­тами для сидения при нахождении пассажиров в пути 3,5—4 часа, а при необходимости возможна модификация мест для лежания.

Вагоны первого класса имеют открытую салонную и купейную планировку с разделе­нием посередине на две секции, что уменьшает ощущение «туннельного эффекта». В зависи­мости от заказа помимо наиболее предпочтительной открытой салонной планировки может быть выполнена компоновка купе на 2 и 4 места или «полукупе» без дверей (с устройством легких перегородок между креслами), имеющими высоту среднего роста человека.

Вагоны второго класса туристического типа имеют открытую салонную планировку с расположением четырех кресел в ряду (в первом классе — три), размещенных у боковых стен кузова с образованием сквозного прохода посередине кузова.

12-вагонный поезд «Сокол» рассчитан на 690 мест для сидения, из которых 158 перво­го, 532 второго класса. В головных вагонах предусмотрено оборудование салона повы­шенной комфортности на семь пассажиров.

Общие сведения о локомотивах и тяге поездов

6.1. Виды тяги и типы локомотивов

Для передвижения поезда к нему необходимо приложить в направлении движения определенную силу, называемую силой тяги. Сила тяги создается тяговым подвиж­ным составом, к которому относятся локомотивы, а также моторвагонный подвижной состав. Моторвагонные поезда состоят из нескольких моторных вагонов, имеющих тяговые двигатели, и из прицепных вагонов. К таким поездам относятся, например, пригородные электропоезда.

Локомотивы делятся на паровозы, теплово- | зы, газотурбовозы, электровозы и мотовозы.

^ |г* Л, * - Ж Первые локомотивы приводились в действие

'AjjJk силой пара и назывались паровозами (рис. 6.1). Па­ровоз имел паровой котел и паровую машину. В паровом котле под действием тепла от сжи­гаемого в топке угля вода превращалась в пар. Пар поступал в цилиндр паровой машины и переме­щал поршень, связанный с колесом паровоза кривошипно-шатунным механизмом (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схема паровой машины: У- - пор­шень; 2 — шатун; 3 — коленчатый вал; 4 — маховик

Проект паровой машины непрерывного дей­ствия был разработан И.И. Ползуновым в 1763 г., а сама машина была создана Дж. Уаттом в 1774 г. Впервые паровоз был создан в Англии в 1803 г.

В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель создал двигатель внутреннего сгорания, названный впоследствии его именем. Дизельный двигатель, как более совершенный, нашел широкое при­менение на локомотивах, называемых теплово­зами (рис. 6.3). В тепловозах энергия дизеля через силовую передачу передается на колесные пары. Другим тепловым двигателем, применяемым на локомотивах, является газовая турбина. В этом случае локомотив называется газотурбо возом. Локомотивы с тепловыми двигателями относятся к категории автономных, так как энергия для осуществления тяги вырабатывается на самом локомотиве.

Существует еще один вид тягового подвиж­ного состава — неавтономный. Он получает энер­гию от внешнего источника. К этому виду под­вижного состава относятся электровозы (рис. 6.4) и моторные вагоны. Они получают электро­энергию от контактной сети через специальный токоприемник — пантограф.

Коэффициент полезного действия автоном­ных локомотивов, в зависимости от типа приме­няемого на них теплового двигателя, колеблется в широких пределах. Самый низкий коэффициент полезного действия (КПД 5—7 %) имеют паро­возы. Кроме того они требуют частого иопол- Рис. 6.3. Тепловоз нения запасов угля и воды.

Тепловозы обладают более высоким КПД (около 30 %) и применяются в качестве основного тягового подвижного сос тава. Введение тепловозной тяги дало возможность значительно увеличить массу поезда, повысить скорость движения и увеличить рассто­яние между остановочными пунктами. В то же время, в отличие от паровоза, у которо­го в момент трогания с места имеется запас готовой энергии пара в котле, дизель теп­ловоза такого запаса не имеет.

Рис. 6.4. Электровоз

Электрическая тяга при питании тяговых подстанций от ГЭС имеет КПД до 60—65 %, а тяговые характеристики электровозов позволяют работать на подъемах при режимах выше номиналь­ных, а на спусках возвращать в контак­тную сеть часть энергии движения по­езда, преобразовав ее в электрическую.

Этот процесс называется рекуперацией, а происходящее при этом торможение состава называется рекуперативным.

Конструкция электровозов проще, чем тепловозов, следовательно, ниже затраты на их экс­плуатацию и ремонт. Электрифицированные желез! 1ые дороги имеют большую провозную способ­ность, чем неэлектрифицированные. На 1 января 2001 г. протяженность электрифицированных линий российских железных дорог составила 40,3 тыс. км при общей дайне 86 тыс. км.

Безусловно, первоначальные затраты на введение электротяги достаточно велики, так как требуется создать обширную инфраструктуру в виде линий электропередач, тяговых подстанций, контактной сети. Но эти затраты быстро окупаются.

6.2. Классификация локомотивов

Локомотивы примято классифицировать по роду службы, ширине колеи, типу кузова, числу секций и по некоторым другим признакам.

По роду службы локомотивы делятся на грузовые, пассажирские, универсальные, ма­невровые, промышленные. К универсальным относятся грузопассажирские и маневровые локомотивы. Локомотивы, работающие в грузовой и пассажирской службах, называются поездными или магистральными.

По типу кузова локомотивы могут быть с несущей рамой и съемным кузовом, с несу­щими боковыми стенками и рамой и с цельнонссущим кузовом, когда рама, боковые сте­ны и крыша работают как одно целое.

Съемный кузов может быть вагон- _f

ного или капотного типа. Кузов вагон- ^------------------ '----------------- ----------------

ного типа (рис. 6.5) обеспечивает доступ f -------------- ---------

локомотивной бригады к силовому обо­рудованию во время движения без выхо- \___

да из кузова. Это улучшает условия ра- -------------------------------------------------------------

боты бригады и аэродинамику поезда. -*1*>

Поэтому кузовами такого типа оборуду- р_ис. 6.5. Кузов вагонного типа

ются в основном поездные локомотивы.

В кузове капотного типа (рис. 6.6.) боковые стенки и крыша закрывают лишь силовые агрегаты, что обеспечивает хороший обзор из кабины машиниста, но при этом ухудшается аэродинамика, особенно при высоких скоростях. Поэтому локомотивы с таким типом ку­зова используют в основном для маневровой службы.

По числу секций локомотивы бывают односекционные, двухсекционные и многосек­ционные (рис. 6.7). Как тепловозы, так и электровозы любой мощности можно соединить
по две или более единицы с управлением из одной секции. Такое их использование в поездной службе называют работой по системе многих единиц.

По типу передачи вращающего мо­мента от тягового двигателя на ось колес­ной пары локомотивы бывают с электри­ческой, гидравлической, механической и гидромеханической передачей.

Рис. 6.7. Локомотивы: а — односекционные; 6 —двухсекционные; в— многосекционные

По типу экипажной части локомотивы делятся на гележечные и бестележечные. К бе- стележечным относятся паровозы. Все современные локомотивы — тележечного типа.

Для характеристики количества, расположения и назначения осей применяется осевая формула. В осевой формуле для локомотивов тележечного типа цифра указывает число осей в тележке. Знак «о», расположенный в индексе цифры, означает, что каждая ось ведущая, то есть имеет индивидуальный тяговый электродвигатель. Количество цифр означает число те­лежек. В осевой формуле тепловозов с гидропередачей возле цифры знак «о» не ставится. Знаки «--» или «+» указывают на отсутствие или наличие жесткой связи между тележками.

Например: 2о-2о (локомотив имеет две двухосные тележки, каждая ось — ведущая; З(Зо-Зо) — трехсекционный локомотив, в каждой секции две трехосные тележки, каждая ось ведущая; 2о+2о-2о+2о — локомотив имеет четыре двухосные тележки, каждая ось ве­дущая, каждая пара тележек имеет жесткую связь; 2(2-2) — локомотив с гидропередачей, двухсекционный, имеет двухосные тележки.

Локомотивы различают также по сериям. Серия локомотива — это обозначение ло­комотивов, построенных по одному проекту.

Серии паровозов: СО (Серго Орджоникидзе), ФД (Феликс Дзержинский), ИС (Иосиф Сталин), Л (Лебеденский), Г136 (Победа), О (основной).

Серии тепловозов: Т — тепловоз; Э — электрическая передача; Г — гидравлическая передача; П — пассажирский; М — маневровый.

Цифры в серии после буквенного обозначения указывают номер серии тепловоза и завод-изготовитель (с № 1 по 49 — Харьковский завод, с № 50 по 99 — Коломенский завод, с № 100 и выше — Луганский завод). Цифра перед буквой обозначает количество секций в тепловозе. Например 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ2, ТГМ11.

Серии электровозов: ВЛ — Владимир Ленин. Следующие за этими буквами цифры обозначают: до 1956 г. — нагрузку на ось, тс (ВЛ19, ВЛ22. ВЛ23); с 1956 г. — номер

серии и род тока (с № 1 по 18 восьмпосный, постоянного тока (ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11);

с № 19 по 39 — шестиосный, постоянного тока (ВЛ19, ВЛ22, ВЛ23); с № 40 по 59 — четырехосный переменного тока; с № 60 по 79 — шсстиосный, переменного тока (ВЛ60); с № 80 и выше — восьмиосный переменного тока (ВЛ80, ВЛ85).

В ряде серий к цифровому обозначению электровоза добавляется буквенная индекса­ция: ВЛ80^;‘ (асинхронные тяговые двигатели), ВЛ80" (вентильное регулирование), ВЛ60^К (кремниевые выпрямители), ВЛ80^С (системное соединение секций), ВЛ80' (реостатное тор­можение), ВЛ80^Р(рекуперативное торможение).

На железнодорожных участках, где стыкуются системы переменного и постоянного тока, эксплуатируются электровозы двойного питания ВЛ82, ВЛ82^М.

Электровозы чешского производства обозначаются следующим образом: ЧС1, ЧС2, ЧСЗ — шестиосные постоянного тока; ЧС4 — шестиосные переменного тока; ЧС6, ЧС7, ЧС200 — восьмиосные постоянного тока; ЧС8 — восьмиосные переменного тока.

6.3,. Компоновочная схема тепловоза

Первый в мире проект тепловоза был разработан в 1905 г. русскими инженерами Н.Г. Кузнецовым и А.Н. Одинцовым.

Современный тепловоз состо­ит из следующих основных частей: первичного двигателя, передачи, кузова, экипажа и вспомогательно­го оборудования (рис. 6.8).

Первичным двигателем на теп­ловозе является дизель. Чтобы при­вести во вращение колесные пары тепловоза от вала дизеля, требует­ся специальная передача. Она по­зволяет обеспечить троганне тепло­воза с места и реализацию полезной мощности дизеля во всем диапазо­не скорости движения локомотива.

Механическая передача состоит из шестеренчатой коробки скоростей и муфты сцеп­ления. Ее устройство несложно, но применение такой передачи на магистральных локомо­тивах вызывает сильные рывки в составе в момент переключения скорости. По этой при­чине механические передачи применяются только на мотовозах, автомотрисах и дизель- поездах малой мощности.

Наиболее распространенной является электрическая передача. Она надежна в эксплуатации, обеспечивает высокий КПД тепловоза, большие межремонтные пробеги, полное использование мощности дизеля в широком диапазоне скоростей движения.

При электрической передаче (рис. 6.9) коленчатый вал дизеля вращает вал тягового генерато­ра 1. Генератор вырабатывает электрическую энергию, которая приводит в действие тяговые элек­тродвигатели 4, расположенные на колесных парах 7.

Через распределительный редуктор 2 вращение от дизеля получает возбудитель J, ко­торый служит для питания обмотки возбуждения тягового генератора.

Для управления тепловозом на пульте управления машиниста имеется контроллер. Он служит для включения электрических це­пей управления и регулирования частоты вращения вала дизеля.

Для этой цели контроллер имеет главную рукоятку на 15 рабочих положений, каждому из которых соответствует определенная часто­та вращения вала дизель-генерато­ра. Кроме главной рукоятки кон­троллер имеет реверсивную руко­ятку на два рабочих положения «Вперед» и «Назад». Этой рукоят­кой машинист изменяет направле­ние тока в обмотках возбуждения

тяговых электродвигателей, а еле- ^^ис- ^-9. Схема электрической передачи: 1 тяговый генера­тор; 2 --- распределительный редуктор; 3 — возбудитель; 4 - довательно, И направление движе- тяговый электродвигатель; 5 — ведущая шестерня; 6 ведомая

ния тепловоза. шестерня; 7 - колесо

Недостатком электрической передачи является значительный расход цветного металла.

Гидравлическая передача свободна от недостатков механической передачи, а также дешевле и проще электрической. В то же время КПД гидравлической передачи на 4—6 % ниже, чем у электрической.

Основными элементами гидропередачи являются гидромуфты и гидротрансформато­ры. Гидромуфта представляет собой сочетание центробежного насоса с гидравлической турбиной, ко торая работает за счет энергии струи жидкости, нагнетаемой насосом. Гидро­трансформатор работает так же, как и гидромуфта, но он может изменять вращающий момент на выходном валу.

Гидропередача (рис. 6.10) работает следу­ющим образом. Вал центробежного насоса 1 получает вращение от вала дизеля, засасыва­ет жидкость из камеры 2 и подает ее к тур­бинному колесу 3, вал которого связан с ко­лесными парами. Жидкость из турбины сно­ва попадает в камеру 2 и повторяет свой путь.

В гидромуфте или в гидротрансформато­ре совмещены центробежный насос в виде на­сосного колеса и гидротурбина в виде турбин­ного колеса. Оба эти аппарата находя тся в об­щем кожухе.

Экипажная часть состоит из тележек с ра- Рис. 6.10. Схема гидропередачи мой, колесных пар, букс и рессорного подве­

шивания.

К вспомогательному оборудованию относятся топливная система, система смазки и системы воздушного и водяного охлаждения.

6.4. Компоновочная схема электровоза

Попытки применения электродвигателей для создания движущей силы в транспорт­ных средствах предпринимались с начала XIX в. Так русский академик Б.С.. Якоби в 1834 г. продемонстрировал на реке Неве работу лодки с электроприводом, получав­шим питание от электрохимических батарей.

Первый электрифицированный участок Баку—Сабунчи—Сураханы на постоянном токе напряжением 1200 В, протяженностью 19 км был введен 6 июля 1962 г.

При электрической тяге применяется централизованное энергоснабжение, когда все потребители энергии питаются от общей электроэнергетической системы. Это дает воз­можность использования энергии из любых первичных источников — тепловых, гидрав­лических и атомных электростанций.

Электровозы постоянно соединены с системой электроснабжения. Это дает возмож­ность применять рекуперативное торможение, при котором тяговые электродвигатели ра­ботают в режиме генератора и вырабатывают электроэнергию, возвращая ее в систему электроснабжения. При этом снижается износ тормозных колодок и бандажей колес. Осо­бенно эффективно применение рекуперативного торможения на затяжных спусках.

Электровозы имеют кузов, внутри которого размещается кабина машиниста с аппа­ратами управления, контрольно-измерительными приборами, тормозными кранами. В сред­ней части кузова располагается высоковольтная камера с электрической аппаратурой. Кроме того, в кузове размещены вспомогательные машины — мотор-компрессор, мотор- вентилятор, генераторы тока управления и другие.

Кузов электровоза опирается на тележки, которые могут быть как двухосные, так и трехосные. На каждой оси установлены тяговые двигатели, от которых вращающий мо­мент передается колесным парам.

На рис. 6.11 показана компо­новочная схема электровоза ВЛ80^К с кремниевыми выпрямителями.

К механической части относят­ся кузов и тележки. Электрическая часть состоит из тяговых электро­двигателей (ТЭД), вспомогатель­ных электрических машин, аппара­туры для управления двигателями и вспомогательными машинами. На электроподвижном составе пере­менного тока и двойного питания в электрическую часть дополнитель­но входят трансформаторы и пре­образователи тока.

Колесная пара электровоза (рис. 6.12) состоит из оси, двух ко­лесных центров с бандажами и двух больших зубчатых колес тяговой передачи.

Большие зубчатые колеса вхо­дят в зацепление с малыми зубча­тыми колесами, насаженными на вал тягового двигателя (рис. 6.13).

Рис. 6.12. Колесная пара электровоза: / — ось; 2 — колесный центр; 3 — бандаж; 4 — зубчатое колесо; 5 — ступица колесного центра; 6 — букса

К тяговым электродвигателям предъявляются очень высокие требования. Они долж­ны выдерживать кратковременные перегрузки, значительно превышающие их номинальные режимы. Например, двигатель должен выдерживать двойной часовой ток в течение не ме­нее 2 мин без недопустимого искрения под щетками. При номинальном напряжении 3000 В двигатель должен устойчиво работать при 4000 В.

Рис. 6.13. Зубчатая передача тягового привода: 1 рама тележки; 2 — тяговый электродвигатель; 3— ма­лое зубчатое колесо; 4 — большое зубчатое колесо; 5 — колесная пара

В качестве тяговых электродвигателей на электровозах постоянного тока применяют преимущественно двигатели с последовательным возбуждением, рассчитанные на номи­нальное напряжение 1500 В.

При управлении электровозом машинист регулирует силу тяги, скорость движения и ее направление, а также процессы электрического торможения. Скорость движения электро­воза можно регулировать путем изменения напряжения питания или тока возбуждения.

Для изменения напряжения питания двигатели могут включаться по трем различным схемам — последовательной, последовательно-параллель­ной и параллельной (рис. 6.14). При этом на­пряжение на зажимах двигателей будет соответ­ственно 500, 1000 и 1500 В. Число оборотов вала электродвигателя определяют по формуле

Рис. 6.14. Схемы включения тяговых элек­тродвигателей шестиосного электровоза: а — последовательное; б— последовательно-парал­лельное; в — параллельное; 1 - пусковой рези­стор; 2 — якорь тягового электродвигателя; 3 — обмотка возбуждения

п =

СФ

где U_j{ — напряжение, приложенное к двигателю;

/₍ - - ток в цепи якоря при неизменном U ; г — сопротивление обмоток;

С — постоянная машины;

Ф — магнитный поток.

Ток возбуждения можно изменить включе­нием параллельно обмотке возбуждения шунти­рующего сопротивления.

Помимо описанных основных типов ло­комотивов существуют также газотурбовозы и атомовозы.

Рис. 6.15. Схема прос­тейшей газотурбинной установки

У газотурбовоза первичным двигателем является газовая турбина. Схема газотурбинной установки показана на рис. 6.15. Приводимый первоначально в действие двигателем 1 компрессор 2 сжимает воз­дух до давления 6—8 кгс/см² и подает его в камеру сгорания 4, куда подается топливо при помощи топливного насоса 3. Продукты сго­рания и несгоревший воздух образуют воздушногазовую смесь. Она поступает при температуре 800—1000 °С на лопатки газовой турби­ны 5, которая, в свою очередь, через распределительный редуктор вращает тяговый генератор 6.

Компоновочная схема газотурбовоза представлена на рис. 6.16.

Газотурбовоз Г1-01 был построен в 1959 г. Коломенским заво­дом тяжелого машиностроения. На газотурбовозе был установлен газотурбинный двигатель (ГТД) мощностью 2600 кВт. Конструкци­онная скорость — 100 км/ч.

Газотурбинная уста­новка (ГТУ) имеет низкий удельный вес на единицу мощности — 0,6— 1,0 кг/л.с. против 3—5 кг/л.с. у двига­телей внутреннего сгора­ния. Она имеет высокую на­дежность, что объясняется простотой конструкции и отсутствием водяной и мас­ляной систем, низкие затра­ты на обслуживание и ре­монт, низкий расход масла и может использовать лю­бые виды топлива.

К недостаткам газотурбовоза следует отнести низкий КПД (около 20 %), большой расход топлива и, как следствие, необходимость иметь топливные баки большой емкости.

Атомная энергия также может быть использована для приведения локомотивов в дей­ствие. В' 1982 г. был создан проект атомовоза мощностью 4400 кВт с конструкционной скоростью 100 км/ч. Компоновочная схема атомовоза представлена на рис. 6.17.

Принцип действия атомово­за заключается в следующем.

В реактор загружается уран-238, являющийся топливом. В резуль­тате реакции разогревается на­трий (зараженный) первого кон­тура. Он нагревает натрий чисто­го контура до 700 °С\ который в свою очередь нагревает до 600 °С газ, поступающий из ГТД. Далее работа атомовоза аналогична ра­боте газотурбовоза, т.е. газовая турбина вращает якорь тягового генератора, питающего тяговые электродвигатели.