История создания и развития локомотивов

История железнодорожного транспорта непосредственно связана с созданием локомотивов и развитием их производства.

Локомотив (франц. “locomotive”, от лат. “loco moveo” – сдвигаю с места) – тяговая машина для передвижения поездов по рельсовой колее. В зависимости от вида первичного источника энергии локомотивы делятся на тепловые (паровозы, паротурбовозы, тепловозы, газотурбовозы) и электрические (контактные и аккумуляторные электровозы).

Первыми локомотивами, появившимися в начале в XIX в., были паровозы, почти 100 лет они были на железной дороге единственным видом локомотива.

Паровоз – автономный локомотив с паросиловой установкой, обеспечивающей за счет энергии сжатого пара необходимую силу тяги для движения по рельсовой колее. Паросиловую установку составляет котел и паровая машина. Нагретый пар из котла поступает в цилиндры машины, там его тепловая энергия преобразуется в механическую энергию прямолинейного движения поршня, через кривошипно-шатунный механизм – в энергию вращения колес. Это оборудование установлено на раме экипажной части, к которой относятся поддерживающие раму тележки с рессорным подвешиванием, буксами, колесными парами и упряжными приборами. Запасы воды, топлива и смазки размещаются на тендере или на самом паровозе.

Первый паровоз был создан в 1803 г. в Великобритании Р. Тревитиком. Большую роль в развитии паровозов сыграл Джордж Стефенсон (1781 –1848). Построенный Стефенсоном в 1814 г. его первый паровоз «Блюхер» мог передвигать 8 повозок массой 30 т со скоростью 6 км/час. Для усиления силы тяги впервые был применен «выпуск мятого пара» из цилиндров в дымовую трубу через конус, что дало возможность увеличить производительность котла. Недостатком паровоза было отсутствие рессор. Во втором паровозе – «Эксперимент» (1815 г.) он отвел отработавший пар в дымовую трубу через специальный аппарат, реализовав идею, предложенную еще Тревитиком. Вместо зубчатой передачи он соединил поршни цилиндров с ведущими колесами через систему шатуна и кривошипа. В 1816 г. в третьем паровозе он уделил большое внимание устранению тряски экипажа, впервые применил «паровые» рессоры, позднее замененные пружинными.

Построенный для дороги Стоктон–Дарлингтон паровоз «Локомоушн № 1» (1825 г.) перевозил грузы со скоростью 18–25 км/час. В паровозе «Ракета» (1829 г.), построенном Дж. Стефенсон вместе с сыном Ричардом, впервые был применен жаротрубный котел. После перемены конуса скорость паровоза удалось увеличить до 45 км/час. Паровоз «Ракета» доказал целесообразность применения паровой тяги и обусловил дальнейшее развитие железнодорожного транспорта.

В России первые паровозы (в документах их называли «сухопутный пароход» или «пароходный дилижанс») были построены в 1834 и 1835 гг. механиками и изобретателями Е.А. и М.Е. Черепановыми, крепостными заводчиков Демидовых. Паровозы развивали скорость до 15 км/час, работали на шахте как вывозные локомотивы.

В течение всего периода производства и эксплуатации паровозов сохранялась их первоначальная компоновка. К 1900 г. окончательно сформировалась конструкция паровоза. Труды многих инженеров и изобретателей в разных странах сделали паровоз совершенной тяговой машиной на уровне науки и техники того времени. Бурный рост промышленности и торговли в конце XIX в. требовали увеличения провозной способности железных дорог, повышения силы тяги, мощности, топливной экономичности паровоза. Возрастание мощности локомотива достигалось увеличением числа движущих (ведущих) осей экипажа, нагрузки от осей движущих колесных пар на рельсы. До начала XX века основным типом грузовых паровозов Европы были 3-осные машины с осевой формулой 0-3-0, в Америке –4-осные паровозы 1-4-1 (типа «Микадо»). Осевая формула выражает назначение колесных пар локомотива: I цифра – число передних поддерживающих осей, II – число движущих (сцепных), III – число задних поддерживающих осей.

В 1920-е гг. преобладающими типами грузовых паровозов в странах Европы стали паровозы типа 1-4-0, 1-5-0 при нагрузке на ось 20 т, германские железные дороги имели танк-паровозы типа 1-5-1 с нагрузкой на ось 25 т. В США и Канаде были распространены грузовые паровозы с 5-ю движущими осями с нагрузкой 27 т. В дальнейшем число спаренных осей увеличивалось. В СССР в 1920-е гг. парк грузовых паровозов состоял в основном из паровозов 0-5-0 серии Э. В 1930-е гг. производились паровозы серий ФД, ИС, СО. Паровоз серии ФД был самый мощный в Европе паровоз массового выпуска того времени.

Для снижения боковых воздействий движущих осей на путь создавались сочлененные экипажи (паровоз типа «Маллет», США –1894 г.; колесная формула 1-5+5-1 с расчетной силой тяги 660 кН. В 1915 г. в США был построен сочлененный грузовой паровоз (триплекс) с 12-ю сцепными осями типа 1-4+4+4-1. Это был паровоз гигант-рекордсмен. В России Брянский и Путиловский заводы в 1898 г. тоже создали сочлененные паровозы с 6-ю сцепными осями по типу 0-3+3-0 для Московско-Казанской железной дороги.

Увеличение энергетической мощности локомотива требовало совершенствования экономических показателей котла и паровой машины, т.е. коэффициента полезного действия преобразования химической энергии топлива в механическую работу. Для повышения экономичности паровоза увеличивалась поверхность нагрева в котлах, площадь колосниковых решеток (с 7,7 до 16,9 кв. м), применялись паровые машины с большим числом цилиндров (2-3-4-цилиндровых). Важнейшим принципом усовершенствования паровоза стал переход к высоко перегретому пару с температурой более 350⁰ С, повышалось давление пара в котле (с 1,7-1,8 до 6,0 МПа и более).

За 130 лет развития и эксплуатации паровозов энергетическая эффективность (к.п.д.) паровозов увеличилась с 1-1,5% до 10%. Низкий к.п.д. был главным недостатком паровоза, не соответствовал уровню науки и техники в 1920-е гг. С 1930-х гг. экономически развитые страны стали переводить железные дороги на тепловозную и электрическую виды тяги; полностью переход на новые виды локомотивов произошел в 1950-х гг. Однако паровоз является одним из уникальных технических средств, созданных человечеством, поэтому интерес к нему не уменьшается. Во многих странах сохраняются паровозы-памятники (паровоз «Локомоушн» Стефенсона установлен в 1841 г. в Дарлингтоне (Англия). В ряде стран (Индия, Китай, Аргентина, Бразилия, ЮАР) продолжают эксплуатировать паровозы с использованием новейших достижений в области теплотехники и машиностроения.

Тепловоз – автономный локомотив, первичным двигателем которого является двигатель внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания появились в конце XIX века. Сначала они были газовыми. Первым тепловозом можно считать вагон-газоход, в 1892 г. он курсировал на Дрезденской городской железной дороге. Делались попытки использования бензиновых двигателей.

В 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель взял патент, в 1897 г. построил первый двигатель с воспламенением вспрыснутого в цилиндр тяжелого топлива от сжатия воздуха. Двигатель имел мощность 14,7 кВт (20 л.с.), его коэффициент полезного действия превышал к.п.д. паровых машин. Этот экономичный двигатель внутреннего сгорания, названный именем Р. Дизеля, получил широкое распространение, в т.ч. и на транспорте. В 1911 г. Р. Дизель и Клозе создали первый тепловоз мощностью 705 кВт (960 л.с.) Испытания тепловоза показали, что двигатель может обеспечивать тяговые качества локомотива, передачу энергии от вала двигателя движущим колесным парам лишь с помощью специального промежуточного устройства – тяговой передачи. Тепловозы стали проектировать и создавать с механической, электрической, гидравлической, газовой и др. типами передач. В годы I-й мировой войны во Франции были построены узкоколейные тепловозы мощностью 88 кВт (120 л.с.) с электрической передачей, в США – с механической передачей автомобильного типа. Шведский тепловоз с электрической передачей был построен в 1922 г.

В России первые проекты тепловозов появились в нач. XX века. Так, в 1916 г. проект поездного тепловоза создали Б.М. Ошурков, Е.Н. Тихомиров и А.Н. Шелест под руководством В.И. Гриневецкого. В нач. 1920-х гг. проекты тепловозов разрабатывались в Петрограде (проекты Я.М. Гаккеля) и в Москве (под руководством Л.Н. Щукина). В 1924 г. в Ленинграде был создан магистральный тепловоз ГЭ1 (Щ^эл1) системы Я.М. Гаккеля мощностью 735 кВт (1000 л.с.) с электрической передачей. Одновременно в Москве появился тепловоз с электрической передачей Э^эл 2 мощностью 880 кВт (1200 л.с.), построенный в Германии по проекту русских инженеров под руководством Ю.В. Ломоносова. Этот локомотив, как и тепловоз с механической передачей Э^МХ 3 поступили в эксплуатацию на сеть советских железных дорог в 1927 г. на Ашхабадской железной дороге.

Внедрение тепловозной тяги в Европе и США началось в 1930-е годы. На железных дорогах США наряду с маневровыми, пассажирскими тепловозами, в 1940 г. появились многосекционные грузовые и универсальные (для грузовой и пассажирской службы) локомотивы, мощность секции с одним дизелем составляла 990 кВт (1350 л.с.). Широкое внедрение тепловозной тяги проходило после II мировой войны. Железные дороги США практически полностью перешли на тепловозную тягу.

В СССР с начала 1950-х гг. осуществлялась программа реконструкции тяги и увеличения выпуска тепловозов. С 1956 г. началось серийное производство тепловоза ТЭ3, были разработаны и построены разные типы локомотивов, среди них магистральные и маневровые тепловозы с электрической передачей ТЭ10, ТЭ50, ТЭП60 и др., с гидравлической передачей ТГМ2, ТГ100, ТГП60 и др. В современной России используются тепловозы: 8-осный ТЭ136, 9-осный ТЭ126 (их мощность 4412 кВт – 6000 л.с.). Пассажирское движение обслуживают 6-осные тепловозы ТЭП60 мощностью 2200 кВт (3000 л.с.) и ТЭП70 мощностью 2940 кВт (4000 л.с.) со скоростью 160 км/час.

Тепловозы имеют энергетическую эффективность (к.п.д.) около 30%. По сравнению с паровозами тепловозы более экономичны, позволяют при эксплуатации увеличить массу поезда, сократить простой в ремонте, повысить производительность труда. Поэтому тепловозы получили широкое распространение на сети железных дорог США, Канады, стран Западной Европы, СССР (наст. время России, СНГ). Более 1 млн. км магистральных железных дорог мира обслуживаются тепловозами.

Непрерывно растущие требования повышения массы поездов и скорости их движения определяют потребность создания все более мощных локомотивов, перевод их на альтернативные виды топлива. Эти проблемы решаются при использовании газотурбинных двигателей. Созданы и эксплуатируются газотурбовозы.

Газотурбовоз – автономный локомотив, у которого газовая турбина служит основным силовым двигателем.

Первые газотурбовозы были созданы в Швейцарии (1941 г.), США (1948 г.). В 1950-е гг. отдельные образцы газотурбовозов изготовлены в Швеции, Великобритании, Чехословакии. В США на дороге Юнион-Пасифик с 50-х гг. успешно работали газотурбовозы мощностью 3500 кВт (4800 л.с.), затем – мощностью 6250 кВт (8500 л.с.); 2-секционные газотурбовозы мощностью 7865 кВт (10700 л.с.) возили поезда массой 10-12 тыс.т. В СССР первый опытный образец газотурбовоза был создан и начал эксплуатироваться в 1965 г. в депо Льгов Московской ж.д. Первый локомотив с газотурбинным двигателем мощностью 2570 кВт (3500 л.с.) был построен в 1959 г. Коломенским тепловозостроительным заводом, эксплуатировался в депо Кочетовка Юго-Восточной ж.д. до 1965 г.

В 1960-е гг. уделялось внимание созданию газотурбовозов для высокоскоростного пассажирского движения в США, Великобритании, Франции, Канаде и Японии. Наступивший в начале 70-х гг. энергетический кризис и резкое подорожание всех видов нефтепродуктов привели к прекращению работ в области газотурбинных локомотивов. Вместе с тем в последующие годы экономичность создаваемых транспортных газовых турбин возрастала, в настоящее время приблизилось к 32-34%, т.е. достаточно близка к К.П.Д. современных дизелей.

Газотурбинный двигатель по массе, размерам, принципу работы, надежности и внешним характеристикам имеет преимущества перед двигателями внутреннего сгорания. Опыт работы газотурбовозов показал перспективу их использования на железнодорожном транспорте: возможность получения высокой мощности, целесообразность эксплуатации на грузонапряженных линиях в северных районах при низких температурах.

В России в 2008 г. был создан газотурбовоз ГТ1 мощностью 8300 кВт, работающий на сжиженном природном газе., проводит составы из более 100 вагонов весом 10 тыс. тонн. В 2013 г. был изготовлен второй образец газотурбовоза ГТ1h. Российские газотурбовозы не имеют аналогов в мире. Намечаемые полигоны газотурбовозов: линии Новый Уренгой – Сургут – Тюмень, в перспективе – БАМ. До 2020 г. в компанию «РЖД» должны поступить 40 магистральных газотурбовозов.

Электровоз – неавтономный локомотив, приводимый в движение установленными на нем тяговыми электродвигателями, получающими энергию от энергосистемы через тяговые подстанции, контактную сеть или от собственной аккумуляторной батареи. Тяговый электродвигатель приводит во вращение колесные пары подвижного состава.

Первые попытки использования электрической энергии для тяги поездов относятся к концу 70-х гг. XIX в. Электротехник Вернер Сименс (1816-1892) в 1879 г. создал и построил первый электровоз, напоминавший современный электрокар. На нем был установлен электродвигатель постоянного тока мощностью 9,6 кВт. Электрический ток напряжением 160 В передавался к двигателю по контактному рельсу, обратным проводом служили рельсы, по которым двигался поезд.

31 мая 1879 г. на международной промышленной выставке в Берлине Сименс продемонстрировал построенную им электрическую железную дорогу длинной 300 м. Электровоз вез 3 вагончика с 18 пассажирами-посетителями выставки со скоростью 7 км/ч. В 1880 г. В. Сименс выступил в обществе немецких электротехников с докладом «Динамоэлектрическая машина и ее применение на железных дорогах», в котором обосновал преимущества и выгоды внедрения электрической тяги. В 1880 – 1881 гг. фирма Сименса построила первую в мире городскую электрическую дорогу в Берлине, в 1889 г. – железную дорогу Берлин –Лихтерфельд. В начале 1880-х гг. фирма– лидер в области электротехники и электрической тяги, построила городские электрические железные дороги в Германии и других странах.

В 1880 г. в США прототип электровоза построил изобретатель и предприниматель Томас Алва Эдисон, в 1882 году локомотив был испытан на железной дороге Нортен Пасифик. В 1895 г. были электрифицированы тоннель в Балтиморе и все тоннельные подходы к Нью-Йорку. Для этих линий были построены электровозы мощностью 185 кВт (200 л.с.), развивавшие скорость 50 км/ч. В нач. 1900-х гг. в США электротяга стала применяться на пригородных путях, появились настоящие электрички, состоявшие из моторных и прицепных вагонов.

С конца XIX в. на электрическую тягу переводили метрополитены – городские внеуличные (подземные и надземные) железные дороги в Европе и США. Первое метро на паровой тяге было построено в Лондоне в 1863 г. В 1890 г. в Лондоне была открыта первая в мире электрифицированная линия метро, в Нью-Йорке паровую тягу на надземном метрополитене заменили электрической. В 1896 г. начал действовать метрополитен в Будапеште, 1900 г.– в Париже. В начале 1900-х годов были построены подземные линии метро в Берлине, Гамбурге, Мадриде, Мехико, Буэнос-Айресе и др. городах.

После первой мировой войны во многих странах мира начала проводиться электрификация железных дорог. Электрическая тяга получила широкое распространение на магистральных линиях с большой плотностью движения, в странах, имеющих сложный горный рельеф – в Германии, Австрии, Франции, Швейцарии и др.

В России проекты использования электрической тяги на железных дорогах имелись до I мировой войны (вагон с электрическим приводом Ф.А. Пироцкого). Война помешала завершить электрификацию линии С.-Петербург–Ораниенбаум. Электрификация железных дорог СССР началась в 1920-е гг. как составная часть плана ГОЭЛРО. В 1926 г. было открыто движение электропоездов на участке Баку – Сабунчи, в 1932 г. – на магистрали через Сурамский перевал Закавказской дороги. К началу 1941 года протяженность электрифицированных линий составила 1880 км.

В послевоенный период электрификация железных дорог продолжалась рекордными темпами: в 1960-е годы было введено в эксплуатацию 20 тыс. км электрифицированных линий. К началу 1991 г. общая протяженность электрифицированных железных дорог СССР составила 54,3 тыс. км (первое место в мире по протяженности электрифицированных линий). В настоящее время протяженность электрических железных дорог во всем мире – около 300 тыс. км, что составляет более 20% общей ж.-д. сети. Это наиболее грузонапряженные линии, горные участки с крутыми подъемами и многочисленными кривыми участками пути, пригородные узлы больших городов с интенсивным движением электропоездов.

Техника электрических железных дорог за время их существования изменилась коренным образом, сохранился только принцип действия. Применяется привод осей локомотива от электрических тяговых двигателей, использующих энергию электростанций, подводимую к электроподвижному составу по контактной сети. Обратной цепью служат рельсы и земля.

Применяются три системы электрической тяги: 1) постоянного тока, 2) переменного тока пониженной частоты, 3) переменного тока стандартной промышленной частоты 50 Гц. До второй мировой войны применялись две первые системы, 3-я получила распространение в 1950–60-х гг., когда началось интенсивное развитие преобразовательной техники и систем управления приводами.

Простота конструкции электровозов постоянного тока имела решающее значение для широкого использования на железных дорогах СССР в первые годы электрификации. В 1930-е годы был налажен выпуск отечественных электровозов постоянного тока: магистральный 6-осный электровоз ВЛ-19, электровозы серии С^С, пассажирский – серии ПБ; в пригородном движениииспользовались мотор-вагонные поезда серии С^Э, состоявшие из одного моторного и 2-х прицепных вагонов.

В послевоенные годы были созданы более мощные электровозы – серии ВЛ-22, 2-секционные грузовые электровозы постоянного тока ВЛ-8 (мощностью 4200 кВт), затем – серии ВЛ-10 (мощностью 5280 кВт). Для новых линий переменного тока промышленной частоты 50 Гц, были созданы 6-осные электровозы ВЛ60 и ВЛ80. Во всем мире электрификация железных дорог развивается по системе переменного тока промышленной частоты.

Научно-техническая революция отразилась на конструкции электровозов и электропоездов. В новом электроподвижном составе увеличилось число осей локомотивов. Созданы 8-осные ВЛ80Р и 12-осные ВЛ85 электровозы переменного тока, отличающиеся высокими тяговыми и тормозными характеристиками. В 1980-е годы разработаны мощные 2-секционные 12-осные электровозы переменного тока ВЛ75 и постоянного тока ВЛ15, предназначенные для вождения тяжеловесных поездов на особо грузонапряженных участках.

В начале 2000-х гг. были разработаны локомотивы новых серий, это: скоростной мультисистемный пассажирский электровоз ЭП20, грузовой электровоз с асинхронным тяговым приводом 2ЭС10 «Гранит» (мощность 8800 кВТ, максимальная скорость 120 км/ч).

Собственный КПД электровозов достигает 88-90 % при общем КПД электрической тяги (с учетом КПД ТЭЦ или ГЭС, тяговых подстанций, линий электропередачи и контактной сети) 22-24 %.

Достижения электровозостроения наиболее ярко проявились в высокоскоростных пассажирских поездах, предназначенных для работы на специализированных линиях. Эти поезда способны развивать скорость 300 – 350 км/ч и более. Японские высокоскоростные поезда «Синкансен» состоят только из моторных вагонов. Подобные поезда во Франции, ФРГ, Италии имеют прицепные и специализированные тяговые вагоны типа локомотивов. Достижением отечественного электровозостроения было создание скоростного электропоезда ЭР200. С 2009 г. на скоростных линиях Москва – С.-Петербург, Москва – Нижний Новгород используются электропоезда «Сапсан» фирмы «Сименс» (ФРГ).

Основу локомотивного парка подвижного состава всех промышленно развитых стран составляют электровозы и тепловозы. Дальнейшее развитие этих локомотивов направлено на повышение их надежности и экономичности, улучшение тяговых качеств, снижение затрат на обслуживание и ремонт. В целом развитие локомотивостроения связано с увеличением единичной мощности и скорости движения.

Локомотивное хозяйство.С постройкой первых железных дорог началось развитие локомотивного хозяйства. Локомотивное хозяйство включает тяговый подвижной состав; здания депо и мастерских с оборудованием, служебно-бытовыми помещениями; пункты технического осмотра, склады песка, топлива и смазки, пункты смены и дома отдыха локомотивных бригад; базы запаса локомотивов. Среди основных функций локомотивного хозяйства – обеспечение железной дороги исправными локомотивами, их обслуживание и ремонт.

В России основы организации тягового хозяйства и эксплуатации локомотивов на железных дорогах были заложены в 1851 г. с открытием железнодорожной магистрали С.-Петербург– Москва. Дорога была разделена на 8 тяговых участков (тяговых плеч). За длину каждого участка было принято расстояние между «большими локомотивными стоянками», впоследствии переименованными в «главные» или «коренные» депо, сейчас - это основные депо. К депо для ремонта и обслуживания были приписаны грузовые и пассажирские паровозы. На территории каждого основного депо было построено круглое локомотивное здание на 20 стойл для стоянки и ремонта паровозов. В средней части здания под куполом размещался круг для поворота паровозов. Часть депо имела прямоугольную постройку для «большого» ремонта паровозов. На территории депо располагались водонапорное здание и топливный склад. В промежутках между «большими локомотивными стоянками» располагались «малые стоянки» – прямоугольные сараи на 4 паровоза, где находились резервные паровозы, водокачка и дровяной склад. Капитальный ремонт паровозов и вагонов выполнялся в главных мастерских, имевшихся почти на каждой дороге. В таком виде система организации тягового хозяйства в основном сохранилась до начала первой мировой войны.

С увеличением размеров паровозов изменились типы и размеры паровозных зданий: круглые депо уступили место полукруглым и прямоугольным зданиям. До сер. 1870-х гг. основным был прямоугольный тип паровозных зданий. В 1880-е гг. широкое распространение получили здания веерного типа с радиусом от 47 до 75 м с центральным поворотным кругом и отдельными пристройками для мастерских. В начале 1900-х гг. наибольшее распространение получили здания ступенчатого типа. Первое такое здание было построено по проекту русского инженера Г. Красина в 1903 г. на Рязанско-Уральской железной дороге. Эти депо сочетали в себе преимущества веерных и прямоугольных зданий.

Введение новых видов тяги вызвало необходимость переустройства депо. В США все виды текущего ремонта тепловозов сосредоточили в верхних зданиях депо. В СССР с начала 1960-х гг. в связи с внедрением электрической тяги провели реконструкцию депо, перестраивая цеха прямоугольной формы. В современных локомотивных депо, как и в ремонтных мастерских, для диагностирования тягового подвижного состава, обеспечения информацией лиц, принимающих решения, широко используют ЭВМ. Для обеспечения высокой эффективности использования и работоспособности локомотивов создается автоматизированная система управления локомотивным хозяйство.