Тепловоз

Главная → Локомотивы и локомотивное хозяйство → Основные типы локомотивов

ТЕПЛОВОЗ - автономный локомотив, на котором в качестве силовой энергетической установки используется тепловой поршневой двигатель внутреннего сгорания – дизельный двигатель, величина эффективного кпд которого достигает 40-45%.

Тепловоз

Общие сведения

Применение дизельного двигателя вместо паросиловой энергетической установки паровоза обеспечивает высокий уровень кпд тепловоза (26-31%), превышающий кпд паровоза в 4-5 раз. Название «тепловоз» сложилось в России по типу названия паровоза. За рубежом тепловоз называют «дизельным локомотивом» – diesel locomotive или diesel-electric locomotive (англ.), locomotive Diesel (франц.), Diesellokomotive (нем.), locomotora Diesel (исп.). К тепловозам, как к типу локомотивов, относят также такие специализированные виды автономного пассажирского моторвагонного подвижного состава, энергетическими установками которых служат двигатели внутреннего сгорания, как дизель-поезда, состоящие из моторных и прицепных вагонов, и автомотрисы – рельсовые автобусы.

Энергетическая цепь (последовательность этапов преобразования энергии) автономного локомотива состоит обычно из трех последовательных звеньев:

• теплового генератора, который преобразует химическую энергию топлива в тепловую энергию теплоносителя;

• теплового двигателя, преобразующего тепловую энергию теплоносителя в механическую работу вращения своего вала,

• передаточного механизма (передачи), расположенного между выходным валом теплового двигателя и ведущими колесными парами и необходимого для преобразования момента и скорости вращения вала двигателя, передаваемых на колеса, в соответствии с требованиями тяги.

С точки зрения преобразования энергии энергетическая установка тепловоза (рис. 5.10) имеет одно звено – тепловозный дизель Д, который совмещает функции теплового генератора и теплового двигателя. В цилиндре дизеля химическая энергия топлива Т в результате его горения (реакции окисления -соединения с кислородом атмосферного воздуха АВ) преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания (газов), которая при помощи поршня и кривошипно-шатунного механизма преобразуется в механическую работу вращения вала двигателя. В схему входит и передача П, согласующая режимы работы дизеля и движения локомотива. Она преобразует вращающий момент на валу дизеля Д, который по условию постоянства мощности дизеля должен быть неизменным при постоянной частоте вращения вала, в переменный момент на ведущих колесах К, величина которого по тому же условию постоянства мощности локомотива обратно пропорциональна скорости движения. Передача является обязательной частью конструкции тепловоза, но с преобразованиями энергии в ней связаны потери.

Классификация

Тепловозы классифицируются по ряду различных признаков. Наиболее важным является разделение тепловозов по следующим признакам. По роду службы (виду выполняемой работы) они делятся на

• грузовые,
• пассажирские,
• универсальные - предназначенные для выполнения различной работы, например, грузо-пассажирские, маневрово-вывозные и т. д.
• маневровые
• промышленные.

Назначение тепловоза отражается на его характеристиках, конструкции передачи и экипажной части. Современные тепловозы по типу передач делятся на тепловозы с механической, электрической и гидравлической передачами. Электрические передачи могут быть постоянного, переменно постоянного и переменного тока. Промышленные тепловозы малой мощности выполняют и с механической передачей.

По устройству ходовых частей различаются

• тепловозы тележечного типа,
• тепловозы с осями в жесткой раме (бестележечные). Почти все современные тепловозы тележечного типа.

Тепловозы делятся также по ширине рельсовой колеи.

• на тепловозы широкой колеи (ширина колеи 1520 мм и более),
• нормальной колеи (1435 мм - во многих зарубежных странах),
• узкоколейные (ширина колеи менее 1435 мм);

по числу секций — на одно-, двух- и многосекционные.

Односекционные тепловозы часто имеют две кабины управления, двухсекционные — по одной на секцию. У многосекционных тепловозов промежуточные секции вообще могут не иметь кабин машиниста, так как управляются с головных секций.

Серии тепловозов

Серии тепловозов, т. е. группы тепловозов, построенных по одним и тем же проектам, на железных дорогах СССР принято обозначать сочетанием заглавных букв русского алфавита и цифр. В большинстве случаев обозначение

• начинается с буквы Т («тепловоз»);
• вторая буква, как правило, характеризует тип передачи (Э — электрическая, Г — гидравлическая);
• третья — обычно говорит о назначении тепловоза (П — пассажирский, М — маневровый, у грузовых тепловозов третья буква в серии отсутствует).
• Цифры обозначают номер серии тепловоза, для поездных тепловозов обычно указывающий также и на завод-изготовитель. Номера серий от 1 до 49 отводились магистральным тепловозам, спроектированным Харьковским заводом транспортного машиностроения им. В. А. Малышева. Номера от 50 до 99 присваиваются тепловозам разработки Коломенского тепловозостроительного завода им. В. В. Куйбышева (ныне ПО «Коломенский завод»), а номера выше 100 входят в серии локомотивов Ворошиловградского тепловозостроительного завода им. Октябрьской революции (ныне ПО «Лугансктепловоз»).

Таким образом,

• ТЭ3 расшифровывается так: грузовой тепловоз с электрической передачей третьей серии, спроектированный Харьковским заводом;
• ТГ102—тепловоз с гидравлической передачей, грузовой 102-й серии Ворошиловградского завода;
• ТЭП70 — тепловоз с электрической передачей пассажирский постройки Коломенского завода;
• ТГМЗ и ТЭМ5 — тепловозы маневровые соответственно с гидравлической и электрической передачами (в сериях маневровых и узкоколейных тепловозов цифра обозначает только порядковый номер модели).

Цифра перед буквенным обозначением означает число секций много секционного тепловоза, созданного на базе основной серии (например, 2ТЭП60 — двухсекционный пассажирский тепловоз, ЗТЭ10М — трех секционный грузовой). Буква после номера серии указывает либо на модернизированный вариант (М), либо на завод-изготовитель, если первоначальный проект тепловоза разработан другим заводом. Так, тепловоз 2ТЭ10В создан Ворошиловградским заводом на базе односекционного тепловоза ТЭ10 Харьковского завода (серия 2ТЭ10Л разрабатывалась ранее, когда завод, как и в настоящее время, назывался Луганским). В обозначения серий тепловозов, работающих в СССР, но построенных за рубежом, введена буква, указывающая на страну-изготовитель. Так, серии ЧМЭ2 и ЧМЭЗ - маневровые тепловозы с электрической передачей, построенные в Чехословакии.

Характеристики

Осевая формула

Одной из важных характеристик каждого тепловоза, как и любого локомотива, является его осевая формула. Она характеризует число, расположение и назначение осей локомотива. Для тепловозов тележечного типа осевая формула представляет сочетание цифр, число которых соответствует числу тележек, а каждая цифра показывает число осей в тележке. Например, шестиосный тепловоз ТЭП70 имеет осевую формулу Зо—Зо, которая показывает, что у тепловоза две трехосные тележки. Знак «—» (тире) означает, что тележки не соединены между собой (несочлененные), а индекс «О» у цифр показывает, что каждая ось имеет индивидуальный (отдельный) привод (тяговый электродвигатель). Для двухсекционного тепловоза 2ТЭ10В, у которого секции сцеплены между собой, осевая формула выглядит так: 3o—Зо + Зо—Зо или 2(3О—Зо). Для тепловозов нетележечного типа в осевой формуле последовательно перечислено число осей бегунковых, ведущих (сцепных) и поддер живающих. Например, 0—3—0 (рис. 1.4, в) — бегунковых осей нет, ведущих три, поддерживающих нет, привод групповой (тепловоз ТГМ1); 2—5о— 1 (рис. 1.4, а) — две бегунковые оси, пять ведущих с индивидуальным приводом, одна поддерживающая (тепловоз Эзл довоенной постройки).

За рубежом в осевых формулах тепловозов число ведущих осей в тележках обозначают не цифрой, а буквой, 
подразумеваемый порядковый номер которой в латинском алфавите соответствует числу осей 
(А — одна ось, В — две, С — три, D — четыре). 

Следовательно, обозначение Со—Со (или, просто, С— С) будет соответствовать рассмотренной выше формуле Зо—Зо. (Во Франции принято буквы писать слитно: ВВ, СС). Наличие же бегунковых или поддерживающих осей обозначается также цифрами. В некоторых странах применяют колесные формулы, в которых цифры указывают на число колес, а не осей. Написанная по этому принципу колесная формула тепловоза Ээл выглядит так: 4—10—2, т. е. все цифры удвоены по сравнению с осевой формулой.

Осевая нагрузка, служебный и сцепной вес, габарит

К характеристикам локомотивов относятся также осевая нагрузка, служебный и сцепной вес, а также габарит.

Осевая нагрузка (или, точнее, нагрузка от оси на рельсы) характеризует статическое воздействие локомотива на железнодорожный путь. Для магистральных локомотивов, эксплуатирующихся на железных дорогах СССР, наибольшие допустимые нагрузки на рельсы составляют 225 кН. У новых локомотивов, уже разработанных промышленностью, осевые нагрузки достигают 235 кН (электровозы ВЛ 15 и ВЛ85) и 245 кН (тепловозы 2ТЭ121 копытный тепловоз ТЭ136).

Служебным весом тепловоза называется его полный вес — с локомотивной бригадой, полным запасом воды и масла и двумя третями запасов топлива и песка.

Вес, приходящийся на движущие колесные Пары и участвующий в создании силы тяги, называется сцепным весом. Так как почти у всех современных тепловозов все оси являются движущими, то для них сцепной вес равен служебному. С другой стороны, служебный вес равен сумме нагрузок от ведущих осей на рельсы.

Габаритом называется предельное поперечное очертание (перпендикулярное оси пути), за пределы ко торого не должна выступать ни одна часть локомотива как нового, так и предельно изношенного. Для локомотивов СССР стандартом установлены габариты Т и 1Т. Наиболее распространенный габарит 1Т имеет наибольшую предельную ширину 3400 мм и высоту 5300 мм. Действительные допускаемые предельные значения высоты и ширины кузова имеют меньшие значения, так как при их подсчете учитываются все возможные смешения локомотива от оси пути как по горизонтали, так и по вертикали. Тепловозы, предназначенные для экспорта, выполняются по меньшим габаритам (например, тепловозы М62 и ТЭ109 — по габариту 02-ВМ).

Общее устройство

Тепловоз состоит из четырёх основных частей: дизеля, вспомогательного оборудования, передачи и экипажа.

Схемы расположения оборудования и преобразования энергии на тепловозе

Размещение основных узлов на тепловозе типа 2ТЭ10

Общее устройство магистральных тепловозов в значительной мере однотипно. Грузовые тепловозы отечественного производства (например, 2ТЭ10 или 2ТЭ116) состоят из двух одинаковых секций (рис. 5.13), соединенных между собой стандартной автосцепкой, что допускает возможность отдельной работы каждой секции. Секция с кузовом вагонного типа имеет свою кабину машиниста, где расположен пульт управления. При совместной работе обе секции управляются с поста управления головной секции. Источником энергии служит дизель, основная часть вырабатываемой им энергии передается тяговому генератору (постоянного тока), вал которого соединен с коленчатым валом дизеля.

Дизель и генератор установлены на общей поддизельной раме и составляют единый агрегат – дизель-генератор, который, как наиболее тяжелый узел, расположен в средней части главной рамы. Это обеспечивает более равномерное распределение нагрузок на колесные пары, которые объединены в две 3-осные тележки. Главная рама состоит из двух мощных продольных несущих элементов – хребтовых балок, изготовленных из двутаврового стального проката и усиленных накладками, и двух боковых стенок кузова. Продольные балки соединены несколькими поперечными перегородками из листа, а по концам – литыми поперечными балками, образующими стяжные ящики, предназначенные для установки автосцепок. В средней части продольные балки соединены также двумя поперечными шкворневыми балками над каждой тележкой. В горизонтальной плоскости балки главной рамы объединены сверху и снизу листами настила, верхний настил образует пол машинного помещения кузова.

На оси каждой колесной пары подвешены тяговые электродвигатели (см. рис. 5.13), которые питаются током от тягового генератора и преобразуют его энергию в механическую работу, приводя во вращение (через тяговые редукторы) колесные пары. Применяются электрические передачи постоянного тока (тепловозы типа 2ТЭ10) и передачи переменно-постоянного тока (2ТЭ116), при которых генератор вырабатывает переменный ток, а тяговые двигатели питаются выпрямленным током через промежуточный полупроводниковый преобразователь.

Для привода агрегатов вспомогательного оборудования тепловоза часть мощности от вала дизеля отбирается через передний и задний распределительные редукторы. С передним редуктором связаны тормозной компрессор и двухмашинный агрегат, состоящий из возбудителя (генератора, питающего током обмотки главных полюсов тягового генератора) и вспомогательного генератора, который служит источником для питания вспомогательных электрических цепей низкого напряжения (управления, освещения, заряда аккумуляторной батареи и т.п.). От вала заднего редуктора через гидроредуктор приводится вентилятор охлаждающих устройств тепловозного дизеля. Вентилятор просасывает воздух извне через секции радиаторов, отводя теплоту от воды системы охлаждения дизеля. Секции расположены с обеих сторон шахты охлаждающих устройств. Кузов тепловоза вагонного типа 2ТЭ10 состоит из лобовой, боковых и торцевой стенок и крыши, по периметру основания опирается на раму. По длине кузов разделен на несколько частей: передняя часть – кабина машиниста, средняя часть – машинное (дизельное) помещение, где размещается дизель-генератор и часть вспомогательного оборудования, и концевая часть – шахта, где размещены охлаждающие устройства дизеля. Часть кузова между кабиной машиниста и дизельным помещением отведена для высоковольтных камер, в которых размещены электрические аппараты силовых и вспомогательных цепей. По обе стороны дизеля под полом размещены элементы аккумуляторной батареи, которая служит для электрического пуска дизеля В качестве стартера используется тяговый генератор, работающий при этом в режиме двигателя.

Запас топлива содержится в баке, подвешенном к раме в средней ее части. Воздух для работы дизеля засасывается из атмосферы через воздухоочистители, размещенные с обеих сторон (в боковых стенках кузова), турбокомпрессорами и центробежным нагнетателем. Тяговые электрические машины имеют воздушное охлаждение. Для отвода теплоты от них служат три вентилятора, один для охлаждения генератора и два – для охлаждения тяговых электродвигателей.

Магистральные тепловозы с электрической передачей других серий имеют в общем такую же компоновку силового и вспомогательного оборудования. Их устройство может принципиально отличаться наличием некоторых новых или дополнительных узлов. Например, грузовой тепловоз 2ТЭ121 (рис. 5.14) имеет электрическую передачу переменно-постоянного тока, поэтому на нем непосредственно над генераторным агрегатом, который объединяет тяговый и вспомогательный генераторы, размещена силовая выпрямительная установка. Кроме того, тепловоз имеет единую, централизованную систему воздушного охлаждения тягового электрооборудования, которая включает в себя общий блок воздухоочистителей и вентилятор.

Внешний вид тепловоза и размещение оборудования зависят от конструкции его кузова Грузовые тепловозы имеют кузов вагонного типа, который состоит из каркаса, выполняемого из стального профильного проката, наружной и внутренней обшивки из металлического листа и теплоизоляции между ними. Продольные элементы каркаса кузова (рис 5 15) частично (например, нижняя часть боковых стенок) используются для усиления главной рамы (увеличения жесткости). В стенках и крыше кузова имеются проемы, через которые осуществляется подвод воздуха извне для работы и охлаждения дизеля и тягового электрооборудования, а также выброс нагретого воздуха от вентилятора охлаждающих устройств дизеля. Кузов имеет эксплуатационные проемы (окна в кабине и боковых стенках, двери в боковых и торцевых стенках); технологические и ремонтные проемы (например, в крыше для доступа к отдельным узлам), которые выполняются в виде люков с крышками. В грузовом тепловозе средняя часть крыши кузова (над машинным помещением), которая находится между кабиной машиниста и отсеком высоковольтных камер с передней стороны и задней частью с шахтой охлаждающих устройств, выполняется съемной для возможности извлечения дизель-генератора в сборе при ремонте или замене.

С целью снижения общего веса кузова и главной рамы на пассажирских тепловозах иногда каркас боковых стенок выполняют в виде несущих раскосных ферм, воспринимающих совместно с главной рамой вертикальные и продольные нагрузки, такой кузов называют несущим. С этой же целью каркас и обшивку на пассажирских тепловозах выполняют из алюминиевых сплавов.

На маневровых и промышленных тепловозах, имеющих кузов капотного типа, кабина машиниста располагается между передним и задним капотами и возвышается над ними (рис. 5.16). Кузов состоит из пяти частей: камера охлаждающих устройств с диффузором вентилятора, капот над двигателем, капот над высоковольтной камерой, кабина машиниста и капот над аккумуляторной батареей. Между собой части кузова соединяют болтами. Камера охлаждающих устройств и кабина машиниста приварены к главной раме. Капот над двигателем съемный, по периметру присоединяется к смежным частям кузова и к главной раме болтами. Боковые стенки капота выполнены в виде ряда дверок, обеспечивающих доступ к агрегатам тепловоза. На крыше капотов расположены люки, закрытые крышками, используемые для выемки крупных узлов дизеля, передачи и привода агрегатов (аккумуляторов, компрессора, турбокомпрессора и т. п.). На торцах кузова имеются люки для набора песка и скобы для доступа к ним. Вокруг капотов на настиле рамы устроены передняя, задняя и боковые площадки с внешним ограждением. Кабина машиниста дает возможность хорошего обзора, т. к. имеет окна со всех четырех сторон, что особенно важно при выполнении маневровой работы на ж.-д. станциях.

Тепловозный дизель

Основная статья: Дизель тепловоза

Важнейшей частью тепловоза является его первичный двигатель – тепловозный дизель. На магистральных тепловозах применяются многоцилиндровые 4-и 2-тактные дизельные двигатели средней быстроходности (частота вращения вала n на номинальном режиме 750-1000 об/мин), на промышленных тепловозах и дизель-поездах используют более легкие быстроходные дизели (1350-1600 об/мин). Дизель поездного тепловоза обычно имеет 12-16 цилиндров диаметром 200-300 мм. Мощность дизелей магистральных тепловозов различного назначения находится в диапазоне от 880-1000 до 4400-4700 кВт.

Вспомогательное оборудование

Основная статья: Вспомогательное_оборудование_тепловозных_дизелей

Вспомогательное оборудование обеспечивает нормальную работу дизеля, передачи и экипажной части, а также тепловоза в целом. К нему относятся топливная, водяная и масляная системы дизеля, его устройства охлаждения и воздухоснабжения, а также системы охлаждения и вспомогательные устройства передачи, песочная система экипажа, воздушная (тормозная) система тепловоза, система пожаротушения и т. п.

• Топливная система обеспечивает питание дизеля жидким топливом. Она состоит из топливных баков, вспомогательных подкачивающих насосов, топливных фильтров, топливоподогревателей, основных топливных насосов и форсунок, распыливающих топливо в цилиндрах дизеля.

• Система водяного охлаждения дизеля (водяная система) служит для отвода теплоты от его цилиндров и включает в себя циркуляционный водяной насос и радиаторы, в которых теплота от воды передается атмосферному воздуху. Для более интенсивного отвода теплоты от радиаторов воздух через них прогоняется принудительно специальным вентилятором.

• Масляная система дизеля, состоящая из насосов, фильтров для очистки масла и охлаждающих устройств (радиаторов или теплообменников), служит для подачи смазки масла к трущимся частям дизеля, а также частично и для отвода теплоты от них, а в некоторых случаях и от поршней дизеля.

• Воздушная система тепловоза (тормозной компрессор, главные и запасные резервуары сжатого воздуха и др.) обеспечивает работу тормозных средств всего поезда, а также ряда вспомогательных устройств тепловозов.

Системы воздухоснабжения и воздушного охлаждения состоят из агрегатов, предназначенных для подачи воздуха (воздуходувки и нагнетатели — для дизеля, вентиляторы — для охлаждения электрических машин), воздухозаборных устройств (окна, жалюзийные решетки), воздухоочистителей и воздуховодов.

Передачи тепловозов

Передачи тепловозов бывают

• электрические,
• гидравлические,
• механические.

Мощность дизеля при неизменной подаче топлива прямо пропорциональна частоте вращения его вала. Поэтому, чтобы обеспечить возможность работы тепловоза с постоянной (в том числе с наибольшей) мощностью в широком диапазоне скоростей движения, энергия от дизеля передается на ведущие колеса через передачу. При электрической передаче (рис. 5.11,а) энергия вращения вала дизеля передается якорю (ротору) тягового генератора 2, который преобразует ее в электрическую. Электрический ток от генератора питает тяговые электродвигатели 3, которые кинематически (посредством устройств тягового привода) связаны с колесными парами 4 и приводят их во вращение. На тепловозах с гидравлической передачей (рис. 5.11,б) энергия дизеля 1 затрачивается на привод гидравлического насоса 2, сообщающего энергию жидкости, циркулирующей в замкнутом контуре, с гидравлической турбиной 3. Кинетическая энергия потока вращает ротор турбины, который механически (через систему валов и зубчатых колес) связан с колесными парами 4 и приводит их во вращение.

На поездных тепловозах наиболее распространена электрическая передача, на маневровых и промышленных, а также на дизель-поездах, используются гидравлические передачи. Механические передачи применяются иногда на тепловозах малой мощности, мотовозах, дизель-поездах и автомотрисах. Часть преобразуемой энергии СН (доля β) затрачивается на собственные (внутренние) нужды тепловоза (привод вспомогательного оборудования, отопление, освещение и т.п.). Величина β составляет 0,10-0,13. В соответствии со структурой энергетической цепи тепловоза, его общий кпд: μт = μеμпер(1 – β), где Неэффективный кпд дизеля; μпер – кпд передачи (для электрической передачи порядка 80-82%). Таким образом, средние значения кпд тепловоза с электрической передачей составляют: μт = 0,40,8(1-0,Н) = 0,285, или 28,5%. В зависимости от мощности и типа передачи значения кпд различных тепловозов находятся в диапазоне 26-30%, что выше уровня кпд других типов автономных локомотивов.

Экипажная часть

Тележка тепловоза 2ТЭ10В

Основная статья: Экипажная_часть

Экипажная часть включает:

• главную раму,
• кузов,
• тележки с колёсными парами, буксами, рессорным подвешиванием, тормозной рычажной передачей.
• ударно-тяговые приборы (сцепка и поглощающий аппарат).

Экипажная часть магистрального тепловоза состоит из колесных пар с буксами (4; 6 или 8), объединенных в 2-, 3-или 4-осные тележки с упругим (рессорным) подвешиванием и опорно-возвращающими устройствами.

К экипажной части обычно относят кузов и главную раму с ударно-сцепными устройствами – автосцепкой. Главная рама воспринимает и передает от ведущих колесных пар к составу через автосцепки горизонтальные продольные силы (тяги и торможения), служит основанием для размещения силовой энергетической установки и вспомогательного оборудования, передает их вес через тележки и колесные пары на рельсы. Главная рама тепловоза как основа конструкции, определяющая срок его службы в целом, является одним из самых металлоемких элементов: при длине рамы 16-18 м ее масса составляет 10-15% общей массы тепловоза. Тележки могут поворачиваться относительно продольной оси опирающейся на них главной рамы на небольшой угол (3-5°) в горизонтальной плоскости. Такое устройство экипажной части облегчает прохождение кривых участков пути. У промышленных 2- и 3-осных тепловозов малой мощности ведущие колесные пары могут размещаться непосредственно в главной раме, как у паровозов.

Кузов и главная рама

Условия работы рамы и кузова. Главная рама тепловоза является основанием для силовой установки и вспомогательного оборудования. В связи с этим она, как и всякое основание, должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечить надежную работу размешенного на ней оборудования.

В то же время, так как главная рама служит и для передачи горизонтальных поперечных и про¬дольных сил, она должна быть достаточно прочной и жесткой и в этих направлениях.

С увеличением мощности тепловозов растут как вертикальные нагрузки на раму (масса одного дизель-генератора составляет 27— 29 т), так и продольные силы (тяговые, тормозные, инерционные). Все эти обстоятельства приводят к тому, что главная рама является одним из наиболее крупных и тяжелых узлов тепловоза.

Типы кузовов тепловозов

Кузов тепловоза также размещается на главной раме. Служит для внешнего ограждения с целью защиты от атмосферных воздействий основных узлов и агрегатов тепловоза и создания необходимых условий для работы локомотивной бригады. Тепловозы имеют кузовы

• вагонного (закрытого) типа (обычно магистральных тепловозов) и
• капотного типа (у маневровых и промышленных).

Кузов может выполняться в виде съемного капота, он накрывает энергетическую установку сверху, доступ к ней обеспечивается через боковые дверцы в капоте. Для возможности прохода локомотивной бригады и ремонтного персонала на тепловозах с капотным кузовом устраивают с обеих сторон продольные и по концам рамы поперечные площадки; капотный кузов легче и дешевле. Такой тип кузова применяют на магистральных тепловозах в США, где это возможно по климатическим условиям.

Кузов вагонного типа образует машинное помещение с проходами для обслуживания энергетической установки и может быть полностью закрытым (вагонного типа). В последнем случае кузов представляет собой значительную металлоконструкцию, по ширине и длине связанную с главной рамой. Поэтому естественным дальнейшим развитием такой конструкции является создание так называемого несущего кузова, совместно с рамой участвующего в передаче вертикальных и горизонтальных сил. Использование несущего кузова позволяет не только значительно снизить вес главной рамы тепловоза, но и уменьшить общий суммарный вес кузова и рамы (на 20—30%).

Главные рамы и несущие кузова поездных тепловозов рассчитываются на изгиб под действием вертикальных статических и динамических нагрузок, а также на продольное сжатие и растяжение силами, приложенными по осям автосцепок на концах рамы. Величина продольных сил принимается не менее 2500 кН для грузовых тепловозов и 2000 кН для пассажирских.

На современных тепловозах использованы различные конструкции кузовов и, следовательно, рам.

Несущие кузова вагонного типа имеют пассажирские локомотивы ТЭП10, ТЭП60, ТЭП70. Грузовые тепловозы ТЭЗ, 2ТЭ10Л(В), 2ТЭ116 выполнены с несущей главной рамой и составным кузовом вагонного типа. На маневровых тепловозах применены съемные кузова капотного типа на несущей раме.

Вспомогательное оборудование тепловоза

Вспомогательным оборудованием тепловоза называется совокупность устройств, обеспечивающих нормальную работу дизеля, передачи в экипажной части.

К вспомогательному оборудованию, обеспечивающему работу передачи, могут быть отнесены система воздушного охлаждения тяговых электрических машин и система охлаждения рабочей жидкости гидропередачи. Вспомогательным оборудованием экипажной части являются песочная система, система вентиляции кузова, противопожарные устройства и система пожарной сигнализации. Общей для основных агрегатов тепловоза является воздушная система управления.

Историческая справка

Вопрос о возможности применения дизельных двигателей в качестве энергетической установки локомотива возник в конце 19 в., после изобретения двигателя Рудольфом Дизелем. На решение этой задачи ученые и инженеры разных стран потратили не менее двух десятилетий. Первые проекты тепловозов в России появились в начале 20 в. Прототипы тепловоза появились в разных странах: создавались и начинали использоваться на подъездных путях промышленных предприятий рельсовые автомобили или тягачи небольшой мощности. В 1904 г. в России инженеры Владикавказской железной дороги разработали технический проект нефтевоза – паровоза с дополнительным двигателем внутреннего сгорания. В 1906-1913 гг. проект неоднократно совершенствовался авторами. В 1905 г. в Санкт-Петербурге инж. Н. Г. Кузнецов и полковник А. И. Одинцов доложили на заседании Российского технического общества о разработанном ими эскизном проекте «автономного электровоза» – первого в мире поездного тепловоза с электрической передачей и индивидуальным приводом ведущих колесных пар. В том же году в Киевском политехническом институте проф. Ю. В. Ломоносов предложил идею создания тепловоза, которую прорабатывал совместно с А. И. Липецом. В 1908 г. они приступили к проектированию тепловоза непосредственного действия с групповым приводом (типа паровозного) колесных пар. Работы велись в Главных мастерских Ташкентской железной дороги (г. Оренбург), были завершены Липецом в 1913 г. В 1909—13 гг. под руководством инж. Ф. X. Мейнеке на Коломенском заводе разрабатывалось несколько проектов локомотивов нового типа – от маломощного (40 л. с.) типа мотовоза до тяжелого 8-осного поездного локомотива мощностью 1000 л. с. (по другим данным, 1600 л. с). Однако тепловоз, проект которого был предложен в 1909 г., имевший 2 тихоходных дизеля, оказался громоздким и тяжелым.

Во всех проектах содержались те или иные оригинальные технические решения и идеи, однако ни один из этих проектов по разным причинам, в т. ч. и по состоянию техники того времени, а также из-за отсутствия необходимого финансирования, не был осуществлен. Первая попытка построить поездной тепловоз относится к 1906 г., когда по инициативе Р. Дизеля управление Прусских ж. д. заказало заводам «А. Борзиг» в Берлине и «Братья Зульцер» в Винтертуре (Швейцария) пассажирский тепловоз типа 2-2-2-2, который был построен к 1913 г. Тепловоз имел двухтактный 4-цилиндровый V-образный дизель мощностью 960 л. с. Вал двигателя размещался перпендикулярно продольной оси тепловоза и был непосредственно связан спарниками типа паровозных с ведущими колесами (тепловоз непосредственного действия). Диаметр цилиндров дизеля 380 мм, ход поршня 550 мм, наибольшая частота вращения вала (при скорости 100 км/ч) составляла 300 об/мин. Для трогания с места и разгона тепловоза (с составом) использовался сжатый воздух из резервуаров. Эксплуатационные испытания прошли в 1913 г. и выявили ряд существенных недостатков, которые являлись следствием свойств дизельного двигателя: мощность дизеля при неизменной подаче топлива почти прямо пропорциональна частоте вращения его вала, а также, в отличие от паровой машины, дизель не способен работать при малых частотах вращения вала, когда при медленном осуществлении процесса сжатия воздуха в цилиндре не может быть достигнута температура, необходимая для самовоспламенения топлива. Недостатки были принципиальными и неустранимыми. Тепловоз оказался непригодным как к курьерской службе, т. к. его мощность была пропорциональна скорости движения и, когда снижалась скорость (например, на крутых подъемах), падала и мощность локомотива и поезд мог остановиться, так и к обычной пассажирской работе, т. к. при частых остановках ему просто не хватало воздуха для последующих разгонов. После многочисленных переделок тепловоз был снят с испытаний.

Неработоспособность тепловоза непосредственного действия предвидели отечественные специалисты. В 1906-1912 гг. проф. В. И. Гриневецкий пытался создать локомотивный двигатель внутреннего сгорания, не имевший традиционных недостатков дизеля, однако опыты, проводившиеся им на Путиловском заводе в С.-Петербурге, не были завершены. В 1912—1914 гг. его ученик А. Н. Шелест еще студентом МВТУ в дипломном проекте (1913-1915 гг.) пытался найти другой путь приспособления двигателя внутреннего сгорания к требованиям тяговой службы, разрабатывая идею тепловоза с газовой передачей, которая осталась лишь в проектах.

Первые советские тепловозы

В 1921 г. разработано несколько проектов тепловозов с различными типами передач, которые по разным причинам не были осуществлены. Реализацию проблемы создания тепловоза ускорило постановление Совета Труда и Обороны РСФСР «О введении тепловозов» от 4 января 1922 г. В 1924 г. были построены первые в мире два работоспособных магистральных тепловоза (рис. 5.17): Ээл-2 -по проекту группы специалистов Российской ж.-д. миссии в Германии под руководством Ю. В. Ломоносова, и Щэл-1 – в Петрограде по проекту Я. М. Гаккеля. Ээл-2 был принят в парк локомотивов НКПС 4 февраля 1925 г. Эта дата считается началом введения тепловозной тяги на ж. д. страны. Тепловоз Ээл-2 проработал на ж. д. страны почти 30 лет и стал прообразом локомотивов, построенных серийно на Коломенском заводе в 1934-1941 гг. Серийные тепловозы Ээл направлялись на Ашхабадскую ж. д., где был организован первый в мире участок тепловозной тяги. В парке депо Ашхабад до 1940 г. было 13 тепловозов (таблица 1).

Развитие тепловозной тяги

В конце 1944 – нач. 1945 гг. в СССР из США в порядке помощи по лендлизу прибыли 68 маневровых тепловозов мощностью 1000 л. с – серия ДА (Д – дизельный, А – Производство тепловозов (см. Локомотивостроение) было возобновлено после войны на Харьковском заводе транспортного машиностроения – ХЗТМ («Завод им. В. А. Малышева»). Первый послевоенный тепловоз ТЭ1 (по образцу ДА) построен в 1947 г. В 1950-1955 гг. на ХЗТМ выпущено 526 двухсекционных тепловозов ТЭ2, мощность которых (2 х 1000 л. с.) близка к мощности тепловозов Л и СО и превышала мощность паровоза серии Э. Поэтому тепловозы ТЭ2 могли работать на любых участках ж.-д. сети при переводе их на тепловозную тягу (таблица 2). За 1946-1950 гг. полигон тепловозной тяги в СССР увеличился более чем вдвое и составил 3,1 тыс. км. К кон. 1955 г. тепловозы обслуживали движение на 6,4 тыс. км ж.-д. линий.

В конце 40-х гг. в СССР ощущался недостаток жидкого топлива. С целью расширения внедрения тепловозов по проекту ВНИИЖТ в 1950-1951 гг. один тепловоз серии ТЭ1 был оборудован дополнительной секцией с газогенератором, работающим на каменном угле, что давало возможность уменьшить расход жидкого топлива. В 1952-1954 гг. газогенераторами были снабжены 15 тепловозов ТЭ1, получившие обозначение ТЭ1Г. Газогенераторные тепловозы эксплуатировались в депо Верхний Баскунчак Приволжской ж. д. В реальных условиях эксплуатации тепловозы потребляли значительно больше дизельного топлива, чем при испытаниях, а конструкция газогенератора, действующего при высоких температурах в химически агрессивной среде, не могла быть надежной. Эти обстоятельства, а также изменение ситуации с нефтью в стране, привели к прекращению эксперимента; тогда же была сделана попытка создания газогенераторного тепловоза на основе ТЭ2 (ТЭ4). Этот опыт используется при решении задачи по переводу тепловозов на природный газ.

Коренная реконструкция тяги

Коренная реконструкция тяги (1956— 1970 гг.) выразилась в массовом переходе ж. д. на новые виды тяги начиная с 1956 г. Большая часть ж.-д. сети СССР подлежала переводу на тепловозную тягу. Для этого были созданы более мощные тепловозы второго (послевоенного) поколения с применением 2-тактных дизелей типа Д100: грузовые ТЭЗ и пассажирские ТЭ7 мощностью 2000 л. с. в секции; организовано их серийное производство. Грузовые 2-секционные тепловозы ТЭЗ сыграли важнейшую роль в послевоенной истории ж.-д. транспорта СССР. Эти локомотивы по мощности (2×2000 л. с.) были равноценны наиболее мощным грузовым паровозам – ФД и ЛВ, значительно превосходили их по силе тяги. Параметры новых тепловозов (таблица 3) давали возможность уже не просто заменять ими паровозы, но и получать при этом значительный технический и экономический эффект.

Развитие производства поездных тепловозов ТЭЗ позволило уже к концу 1960 г. довести тепловозный полигон до 17,7 тыс. км, что составило 14% протяженности сети СССР. К концу 1970 г. тепловозной тягой обслуживалось 76,2 тыс. км – 62,2% общей протяженности ж.-д. сети. Были разработаны и освоены в производстве более мощные тепловозы (3000 л. с. в секции) с электрической передачей: грузовые типа 2ТЭ10 и пассажирские ТЭП60. В 1956-1970 гг. на ж. д. поступили 13 500 секций магистральных тепловозов. Их внедрение окупалось за счет снижения эксплуатационных расходов за 1-3 года.

Тепловозы типа 2ТЭ10 с электрической передачей постоянного тока в модификациях 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ10У составляют основную часть грузового тепловозного парка ж. д. России. С 1978 г. Ворошиловградский завод выпускал 3-секционные тепловозы ЗТЭ10М, в 1,5 раза более мощные, чем серийный 2ТЭ10В, для обслуживания грузонапряженных участков Средне-Азиатской дороги и ж.-д. линий в Казахстане. На основе опыта их работы решалась задача создания еще более мощного 4-секционного тепловоза 4ТЭ10С для Байкало-Амурской магистрали.

На первых порах массового внедрения тепловозной тяги интенсивно разрабатывались проекты и строились тепловозы с гидравлическими передачами, в т. ч. и для магистральной службы, например, на Ленинградском тепловозостроительном заводе была выпущена большая партия 2-секционных универсальных поездных тепловозов типа ТГ102 с двумя быстроходными дизелями типа М756 в каждой секции, конструкция которых была разработана на Луганском заводе. Весовые показатели гидропередач и быстроходных дизелей позволяли снизить массу локомотива примерно на 30%. В нач. 60-х гг. самыми мощными в мире были тепловозы ТГ106 (4000 л. с. в секции), построенные на Луганском заводе в 1961-1963 гг. (три локомотива), а также пассажирские тепловозы ТГП50 аналогичной мощности, построенные на Коломенском заводе (два локомотива). Конструкция этих 6-осных тепловозов с гидравлической передачей оказалась слишком сложной, в значительной мере терялись достоинства гидропередачи. Опыт создания мощных тепловозов с гидропередачей не нашел продолжения. Нашли широкое применение маневровые и промышленные тепловозы различных типов, в т. ч. разработанные в тот период и позже (ТТМ1, ТГМ23, ТГМЗ).

Тепловозы СССР

В 1972 г. Свердловской и Юго-Восточной ж. д. эксплуатировались первые опытные тепловозы 2ТЭ116 мощностью 2250 кВт в секции. Создание этих тепловозов, практически равноценных серийным 2ТЭ10 по мощности, позволяло оценить возможности повышения технико-экономической эффективности тепловозов и разработки локомотивов мощностью 4000 и 6000 л. с. в секции за счет применения 4-тактных дизелей типа Д49 (Коломенского завода) и электрической передачи переменно-постоянного тока. На Ворошиловградском заводе в 1977 г. был построен первый образец 2-секционного тепловоза 2ТЭ121 с дизелями мощностью 4000 л. с. В конструкции этого тепловоза был принят ряд новых для отечественных тепловозов технических решений. В последующие годы было построено несколько партий тепловозов этой серии, проводились их испытания в эксплуатации, которые практически совмещались с доводкой конструкции и устранением неполадок. Тепловоз 2ТЭ121 должен был послужить началом третьего поколения мощных отечественных грузовых тепловозов. Доводка тепловоза до надежного эксплуатационного состояния не была осуществлена; в 1992 г. создание тепловозов этой серии прекращено.

В 1973 г. на Коломенском заводе был построен первый образец пассажирского тепловоза ТЭП70 мощностью 4000 л. с. После испытаний началось их серийное производство вместо устаревших ТЭП60. На базе ТЭП70 разрабатывались проекты более мощных локомотивов (таблица 4).

В 1984 г. на Луганском заводе был построен макетный образец 8-осной секции грузового тепловоза мощностью 6000 л. с-ТЭ136 с 20-цилиндровым дизелем типа Д49. На Коломенском заводе в 1976 г. была сделана попытка поставить такой дизель на пассажирский тепловоз – ТЭП75. Были построены две таких машины, которые в те годы были самыми мощными в мире односекционными тепловозами, но оказались слишком тяжелыми даже для возможности движения со скоростями до 160 км/ч и не смогли пойти в серию.

На Коломенском заводе был разработан новый сверхмощный 4-тактный дизель типа Д56 размерностью 32/32 см, мощность на один цилиндр которого предполагалось довести до 360 кВт (500 л. с). Двигатель оказывался слишком тяжелым. На Луганском заводе был построен опытный образец 2-секционного тепловоза серии 2ТЭ126 с двигателями типа Д56, к 4-осным тележкам которого из-за большой массы дизеля пришлось добавить еще по одной бегунковой поддерживающей оси (осевая формула каждой секции: 1 + 2о + 2q-2q + 2q + 1). Такой тепловоз с 10-осными секциями мощностью 4410 кВт и массой 230 т не мог иметь перспективы.

Тепловозы железных дорог России

В связи с выделением ж. д. России из ж.-д. сети СССР несколько изменилось соотношение видов тяги и распределение объемов работы по перевозкам между ними. Значительную часть грузового тепловозного парка страны составляют тепловозы типов 2ТЭ10 и М62, конструкции которых были разработаны в 60-е гг. и отстают от современного уровня техники. Весьма велик и средний возраст тепловозов. На нач. 1999 г. выработали ресурс 25% магистральных и 38% маневровых тепловозов ж. д. России. Резкий спад объемов перевозок до 1997-1998 гг. существенно уменьшил потребность в рабочем парке, что позволило снять с эксплуатации старые локомотивы и несколько улучшить техническое состояние и на некоторое время снизить «средний возраст» парка тепловозов. Однако одновременно с 1993 г. резко уменьшилось поступление на ж. д. новых локомотивов (таблица 5).

Основные тепловозостроительные заводы (харьковские – «Завод им. В. А. Малышева» и «Электротяжмаш» – и Луганский) остались за пределами России, но разработка новых тепловозов и воссоздание производственной базы продолжается. Построены на Людиновском заводе образцы новых тепловозов (ТГ21 и ТГ22), которые могут иметь специальное исполнение для Сахалинской ж.д., где ширина рельсовой колеи (1067 мм) отличается от стандартной; завод отрабатывает конструкцию нового 12-вагонного дизель-поезда ДЛ2 для пригородного пассажирского движения на неэлектрифицированных линиях. Прицепные вагоны для ДЛ2 выполнены на Тверском вагоностроительном заводе. На Коломенском заводе в 1993 г. построены два пассажирских тепловоза ТЭП80, мощностью 4410 кВт, с 8-осной схемой экипажа и оригинальной конструкцией 4-осной тележки. При испытаниях ТЭП80 на Октябрьской железной дороге в 1994 г. удалось достичь рекордной для России скорости движения 265 км/ч, что близко к мировому рекорду скорости движения на дорогах с тепловозной тягой. За создание тепловоза группе сотрудников завода и МПС присуждена Государственная премия РФ в области науки и техники за 1995 г.

Продолжаются работы по применению сжатого природного газа на маневровых тепловозах, что является реальным путем сокращения потребления нефти на ж.-д. транспорте за пределами 2005 г. Построен образец маневрового газотепловоза – ТЭМ18Г. С 80-х гг. ведутся работы по созданию поездных тепловозов на сжиженном газе, испытываются ранее созданные образцы.

Зарубежные тепловозы

Почти на 1 млн. км магистральных ж. д. в мире (80-85%) движение поездов обеспечивается тепловозами. Главными полигонами тепловозной тяги за рубежом являются ж. д. таких промышленно развитых стран Северной Америки, как США и Канада, где тепловозы обслуживают движение на 99% их протяженности. Локомотивный парк (более 25 тыс. единиц) состоит из тепловозов, построенных в основном двумя главными производителями в Северной Америке, которыми являются: «Электротяговое отделение» корпорации «Дженерал моторе» (Electromotive Division – General Motors Corporation, EMD-GM), которое строит тепловозы с 2-тактными дизелями собственной конструкции (последовательно типы 567, 645 и 710), и Отделение транспортных систем компании «Дженерал электрик» (General Electric – GE Transportation Systems, GETS), которое выпускает тепловозы собственной разработки с 4-тактными дизелями «Купер-Бессемер» (Couper-Bessemer). Кроме того, в Канаде эксплуатируются тепловозы собственного производства предприятий: «Монреаль локомотив уоркс» (Montreal Locomotive Works, MLW – Industries of Canada), которое входит в корпорацию «Бомбардье» (Bombardier Inc ), и дочерней фирмы «Дженерал моторе» (General Motors of Canada).

В 1965-1980 гг. производство тепловозов в США находилось на уровне 1000-1500 ед. в год. После 1981 г. заказы на тепловозы сокращались в связи с ростом цен на нефть. В 1985-1987 гг. выпуск тепловозов заводами EMD – GM и GETS возрастает.

Тепловозы, эксплуатируемые на ж. д. США и Канады, имеют ряд конструктивных особенностей, связанных с условиями работы местных ж. д.- практическим отсутствием пассажирского движения (кроме пригородного), избытком пропускных способностей линий и высокими значениями допускаемых нагрузок от колесных пар на рельсы (до 300-320 кН). Единицей локомотивного парка ж. д. США считается универсальная («общего назначения») 4-осная секция (осевая формула 2о-2о, сцепной вес 1150-1250 кН), преимущественно с капотным кузовом. В грузовом движении такие секции различной мощности объединяются в 3-4- или 5-6-секционный локомотив, управляемый с одного поста по системе многих единиц. Для дальнего пассажирского движения соединяют две-три секции, в маневровой работе заняты единичные тепловозы. Эксплуатируемые тепловозы имеют широкий спектр значений мощности (4-5 градаций): 1500-1800 л. с; 2000-2400; 2700-3000 и 3200-3600 л. с. В отличие от российских тепловозов, у которых мощностью тепловоза называют эффективную мощность на валу дизеля, в США за мощность тепловоза принимают «мощность для тяги», т.е. мощность, передаваемую от дизеля тяговому генератору, которая меньше эффективной мощности дизеля на величину затрат энергии на привод вспомогательного оборудования (примерно на 10%). Для тяжелых условий работы тепловозы с мощностью 2800-3000 л. с. и более имеют специальное 6-осное исполнение (Зо-Зо, сцепной вес 1670-1820 кН).

Основные особенности конструкции североамериканских тепловозов: капотный тип кузова, электрическая передача переменно-постоянного тока, опорно-осевое подвешивание тяговых электродвигателей, электродинамическое (реостатное) торможение, литые рамы тележек, двухступенчатое упругое подвешивание, микропроцессорные средства контроля и диагностики. В 1990-е гг. в технической политике железных дорог США наблюдалась тенденция заказа тепловозов большой секционной мощности, что позволило сократить численность локомотивного парка и затраты на его содержание. Тепловозы SD70MAC производства EMD и АС4000 производства GE, мощность которых составляет 3150-3250 кВт, имеют электрическую передачу переменного тока и могут двумя-тремя единицами обеспечивать вождение поездов той же массы и длины, которые обычно обслуживаются пятью-шестью тепловозами меньшей мощности. В кон. 90-х гг. появились опытные образцы и пред-серийные тепловозы с электрической передачей переменного тока еще большей мощности (до 4700 кВт), которые проходят эксплуатационные испытания.

На железных дорогах стран Западной Европы в соответствии с возможностями пути используются, как правило, более легкие, чем в России и США, тепловозы с нагрузками от оси на рельсы 160-180 кН, реже до 200-220 кН. Поэтому на них часто применяются быстроходные дизели и гидравлические передачи. Железные дороги Франции, Великобритании и Германии располагают почти одинаковыми по численности парками тепловозов – порядка 4000 единиц, из которых 30-40% составляют маневровые. Во Франции в поездной работе преобладают универсальные тепловозы средней мощности производства компании «Альстом» (AlsthOm). Например, 4-осные тепловозы серии 67000 мощностью 1750 кВт, а также и 6-осные серии 72000 мощностью 2650 кВт, одинаково пригодные для обслуживания как грузовых, так и пассажирских поездов. Для конструкций французских тепловозов характерны применение быстроходных дизелей, электрической передачи, мономоторных тележек, опорно-рамного подвешивания тяговых электродвигателей и широкая унификация агрегатов и узлов тепловозов и электровозов (на них используются одинаковые кузова, кабины машиниста, тележки, тяговые электродвигатели, вспомогательное и электрическое оборудование).

На поездных тепловозах ж. д. Великобритании мощностью 2300-2400 кВт серий 56, 58 и 60, построенных фирмами «Браш» (Brush Electrical Mashines Ltd.) и «БРИЛ» (BREL -British Rail Engineering Ltd.), применяются более тяжелые 4-тактные дизели средней быстроходности английского производства (фирм Ruston, General Electric Diesels, Mirrlees).

Особенностями тепловозного парка Германии являются применение гидравлических передач (в т. ч. и на поездных локомотивах) и легких быстроходных 4-тактных дизелей.

В Китае тепловозы обслуживают движение более чем на 60% общей протяженности сети. Массовое производство тепловозов в КНР было начато в 1964 г. К 1996 г. было построено ок. 10 тыс. тепловозов. В первый период они представляли собой адаптированные копии советских тепловозов ТЭЗ и ТЭ10, затем использовался французский и американский опыт. С 1984 г. на ж. д. Китая начали эксплуатироваться и тепловозы собственной разработки и производства. Грузовые, пассажирские и маневровые тепловозы китайского производства имеют электрическую передачу. Поездные тепловозы, как правило, односекционные в б-осном исполнении с 4-тактными дизелями средней быстроходности мощностью от 2200 до 3600 кВт и нагрузкой от оси на рельс 225 кН.

Литература

Тепловозы: Основы теории и конструкция: Учеб, для техникумов/В. Д. Кузьмич, И. П. Бородулин, Э. А. Пахомов и др.; Под ред. В. Д. Кузьмича,—2-е изд., перераб. и доп—М.: Транспорт, 1991.—352 с.