Принцип действия и основные характеристики локомотивов
ЛОКОМОТИВ - самодвижущаяся железнодорожная транспортная машина, предназначенная для создания на рельсовом пути движущей силы (силы тяги), под действием которой обеспечивается перемещение по нему поездов.
Общие сведения
Понятие интернационально (англ. и франц. locomotive, нем. Lokomotive, исп. 1оcomotora) и исторически имеет английское происхождение: первый поезд на первой в мире ж.-д. линии общего назначения Дарлингтон-Стоктон (1825 г., Англия) вел паровоз, построенный английским инженером и изобретателем Джорджем Стефенсоном (George Stephenson) и названный им «Локомошен» («Locomotion»), то есть «передвижение» или «перемещение». С распространением железных дорог и увеличением числа паровозов, имевших часто собственные имена, к ним применялось собирательное название «locomotive engine» – «передвигающая» или «движущая машина», где locomotive – прилагательное от locomotion. К сер. 19 в. определение locomotive стало нарицательным и по мере развития ж. д. в Европе и Северной Америке использовалось как название единственного тогда типа локомотива – паровоза, а затем, в 20 в., как общее наименование ж.-д. тяговых машин.
Принцип действия
Принцип действия.Создавая ведущими колесами при взаимодействии с рельсами силу тяги F, локомотив преодолевает силы сопротивления движению поезда и, перемещая благодаря этой силе поезд на расстояние S, совершает полезную механическую работу Апол перемещения поезда по рельсовому пути. Для совершения этой работы необходимо затратить энергию в количестве Азатр в какой-то другой форме. Для автономных локомотивов, не имеющих, по определению, подвода энергии извне, ее «источником» служит внутренняя химическая энергия природного топлива, запас которого размещается на самом локомотиве; к неавтономным локомотивам (какими являются электровозы) электрическая энергия подводится от внешних энергосистем.
Автономные локомотивы
На автономных локомотивах потенциальная внутренняя энергия любого топлива (твердого, жидкого или газообразного) не может быть преобразована непосредственно в механическую работу силы тяги ведущих колес. При окислении (сжигании) топлива продукты его сгорания (дымовые газы) приобретают высокую температуру и становятся носителем тепловой энергии, которая затем может быть преобразована в механическую работу. При полном сгорании определенного количества топлива (масса В), теплота сгорания которого Q, потенциально может быть получена тепловая энергия в количестве
A = BQ,
которая и затрачивается на выполнение полезной работы локомотива:
А=Азатр.
Энергетическая цепь локомотива
Энергетическая цепь (последовательность этапов преобразования энергии от Aзатр = BQ до Апол = FS) для автономного локомотива состоит, по крайней мере, из двух необходимых последовательных звеньев 1-2 (рис. 5.1): теплового генератора ТГ – устройства, которое преобразует внутреннюю химическую энергию топлива в тепловую энергию теплоносителя; и теплового двигателя ТД – машины, преобразующей тепловую энергию теплоносителя в механическую работу возвратно-поступательного или вращательного движения своего выходного устройства (вала или ползуна), которые составляют локомотивную энергетическую установку. Величины кпд этих звеньев (соответственно ηтг и ηтд определяют энергетическую эффективность локомотива, т. е. его кпд:
ηлок =Апол/Азатр.
В энергетической цепи обычно присутствуют еще два элемента: передаточный механизм ПМ (передача), находящийся между выходным устройством ТД и ведущими колесными парами К, входящий в последовательную цепь преобразования потока энергии и необходимый для приспособления величин момента и скорости на валу ТД, передаваемых на колеса, в соответствии с требованиями тяги, и на промежуточный отбор ВО части преобразуемой энергии – собственные нужды локомотива (привод вспомогательного оборудования, отопление, освещение и т. п.). Доля затрачиваемой энергии оценивается коэффициентом отбора мощности на собственные, нужды β.
Кпд передачи ηпм и коэффициент β непосредственно влияют на общий кпд
ηлок= ηтгηтд(1-β)ηпм.
Типы локомотива
Различают автономные и неавтономные локомотивы. На автономных локомотивах используются различные энергетические установки, которые определяют тип локомотива: паровоз, имеющий паросиловую энергетическую установку, состоящую из парового котла и поршневой паровой машины; паротурбовоз, в состав паросиловой установки которого входят паровой котел и паровая турбина; тепловоз, энергетическая установка которого представляет дизельный двигатель внутреннего сгорания; теплопаровоз – опытный локомотив (создан в 30-40-х гг. 20 в.), имевший энергетическую установку, состоящую из парового котла и комбинированного пародизельного поршневого двигателя; газотурбовоз – локомотив с газотурбинной энергетической установкой. Создавались проекты автономных атомовозов – локомотивов с ядерной силовой установкой, имеющей в своем составе атомный реактор в качестве «источника» тепловой энергии – теплового генератора (ТГ) и паровую или воздушную турбину в качестве теплового двигателя (ТД).
В начале 20 в. получили распространение неавтономные локомотивы — электровозы, которые, как и другие виды контактного электрического транспорта (трамвай, троллейбус), требуют непрерывного подвода электроэнергии через скользящий контакт между токоприемником локомотива и токоподводящей контактной электрической сетью. Создание электровозов и электропоездов способствовало электрификации многих ж.-д. линий. Исключение представляют аккумуляторные электровозы, имеющие электрохимические источники электроэнергии (аккумуляторы), периодически подзаряжаемые в стационарных условиях. Такие электровозы используют главным образом во внутризаводском промышленном ж.-д. транспорте.
Краткая историческая справка
История ж.-д. транспорта непосредственно связана с созданием и совершенствованием конструкций локомотивов. Первый опыт, хотя и не вполне удачный, создания паровоза относится к 1803-1804 гг., когда англ. изобретатель Ричард Тревитик (Richard Trevithick) построил машину, способную везти по рельсовому пути состав вагонеток. В первой четверти 19 в. разными изобретателями был построен ряд различных по устройству единичных паровозов, также во многом несовершенных. Прогресс в области локомотивной техники связан с работами англ. изобретателя Джорджа Стефенсона, начиная с 1814 г. строившего паровозы и совершенствовавшего их конструкцию. Наиболее известными стали «Ракета» (Rocket, 1829 г.) и «Планета» (1830 г.), которые имели все основные элементы конструкции, сохранившиеся в паровозах 20 в.
В России первый паровоз был построен в 1834 г. на Выйском заводе Демидовых в Нижнем Тагиле механиком М. Е. Черепановым и его отцом Е. А. Черепановым. Результаты работы многих специалистов, практиков, инженеров и изобретателей сделали паровоз настолько совершенным (на уровне своего времени) тяговым средством, что он окончательно утвердил свои преимущества перед конно-рельсовой тягой и стал основой для создания и развития ж.-д. транспорта и массового строительства железных дорог во всем мире. Во второй половине 19 в. конструкция паровоза, принципиально не меняясь, непрерывно совершенствовалась в направлениях повышения мощности, силы тяги, скорости движения и экономичности. К кон. 19 в. вся ж.-д. сеть мира (более 800 тыс. км) обслуживалась единственным в то время типом локомотива – паровозом.
Повышение мощности и усложнение конструкции паровозов приводили к увеличению их размеров и массы, что способствовало реализации больших величин силы тяги и давало возможность роста массы грузовых составов. Однако главным принципиальным недостатком паровозов оставалась их низкая энергетическая эффективность: величина кпд даже лучших паровозов в реальных условиях эксплуатации составляла всего 5-7%, что никак не соответствовало уровню развития науки, техники и экономики в середине 20 в.
В первой половине 20 в. были разработаны новые, более эффективные типы магистральных локомотивов – тепловозы и электровозы. С середины 20 в. на ж. д. промышленно развитых стран началась замена паровозов на более прогрессивные виды тяги.
Идея создания локомотива с дизельной энергетической установкой – тепловоза -разрабатывалась с нач. 20 в. Попытка создания такого локомотива, предпринятая немецкими и швейцарскими машиностроительными фирмами под руководством изобретателя двигателя Р. Дизеля (R. Diesel) в 1910-1913 гг., оказалась неудачной. Первые работоспособные магистральные тепловозы были созданы в 1924 г. но проектам отечественных специалистов Ю. В. Ломоносова и Я. М. Гаккеля. Серийное производство тепловозов в стране, начатое на Коломенском заводе в 30-х гг., получило значительное развитие начиная с сер. 50-х гг., что позволило обеспечить полную замену паровозов в поездной работе к 1975 г. Первые поездные тепловозы в СССР и США имели мощность по дизелю на уровне 700-900 кВт; секционная мощность тепловозов к кон. 20 в. достигла 4400 кВт в России (2ТЭ136, ТЭП80) и 4700 кВт в США (опытные тепловозы с передачей переменного тока). Мощность и энергетическая эффективность тепловозов (кпд 26-30%) повышались за счет применения высокоэффективных дизельных двигателей, совершенствования электрической передачи (последовательно разрабатывались и использовались передачи постоянного тока, переменно-постоянного и переменного тока). Созданы надежные конструкции экипажной части тепловозов, применены системы автоматизации и контроля, что позволило сделать тепловоз эффективным и современным локомотивом и способствовало его распространению практически на всех ж. д. мира.
Электрическая тяга с подводом энергии извне с начала 20 в. применялась в городском рельсовом транспорте – трамвае, в 20-е гг. 20 в. стала использоваться на магистральных ж. д Электрификация ж. д. в СССР началась в 30-е гг.; в то же время были созданы первые советские 6-осные электровозы (ВЛ19), имевшие суммарную мощность тяговых электродвигателей в продолжительном режиме 1800 кВт. Начиная с 50-х гг. производство электровозов в стране и масштабы электрификации ж. д. значительно расширились. Были разработаны, внедрены в производство и стали использоваться на ж. д. 8-осные электровозы постоянного тока (модификации типов ВЛ8 и ВЛ10), однофазного переменного тока промышленной частоты (тип ВЛ80) и двойного питания (тип ВЛ82). Созданные в 80-е гг., 12-осные электровозы ВЛ15 и ВЛ85, развивают мощность 9000-10 000 кВт (в часовом режиме).
Применение тепловозов и электровозов дает ж. д. значительный экономический эффект за счет более высоких по сравнению с паровозами кпд, большей мощности и производительности. В сер. 20 в. на ж. д. большинства промышленно развитых стран прошла массовая замена паровозов на более прогрессивные локомотивы – тепловозы и электровозы. В СССР этот процесс, названный коренной реконструкцией тяги на ж.-д. транспорте, происходил в 1955-1975 гг., в результате чего ж. д. полностью были обеспечены тепловозами и электровозами (к 2001 г. в России электрифицированы 41,1 тыс. км ж.-д. линий из общей протяженности сети 86 тыс. км). Вся маневровая работа на сети ж. д. выполняется тепловозами.
В большинстве зарубежных стран на ж.-д. транспорте также используются тепловозы и электровозы, однако соотношения между видами тяги зависят от местных условий и особенностей экономики. Например, в Швейцарии вся сеть ж. д. электрифицирована, в США – практически вся сеть (более 99%) обслуживается только тепловозами. Паровозная тяга на ж. д. частично сохраняется в ряде стран, в число которых входят Китай, Индия, некоторые страны Африки и Южной Америки, в особенности, имеющие достаточные запасы каменного угля.
Классификация
Кроме разделения локомотивов по типам энергетических установок, классификацию проводят по ряду других признаков. По виду выполняемой работы различают локомотивы поездные и маневровые: поездные обеспечивают основную работу ж.-д. транспорта – перевозки, т.е. движение поездов по ж.-д. линиям; маневровые выполняют вспомогательную, маневровую работу – передвижение отдельных вагонов или их групп на путях ж.-д. станций и подъездных путях промышленных предприятий в процессах формирования и расформирования составов, при погрузке и выгрузке вагонов и т. п.
Поездные локомотивы
Поездные локомотивы делятся по назначению на грузовые, пассажирские, универсальные. Грузовые локомотивы, которые предназначены для вождения поездов, чтобы обеспечивать возможность движения поездов большой массы (3-5 тыс. т), должны быть способны реализовывать силу тяги, соответствующую большим расчетным значениям (6000 кН на ведущую ось и более). Для грузовых тепловозов и электровозов характерны значительные мощности, большое число ведущих колесных пар (как правило, не менее 8-12). Они обычно состоят (на российских ж. д.) из двух одинаковых секций. Пассажирские локомотивы, предназначенные для вождения скорых пассажирских поездов, отличаются от грузовых использованием мощности своей энергетической установки в основном на реализацию высокой скорости движения (160-200 км/ч). Для них не требуется большого числа ведущих колесных пар, поэтому они обычно выполняются односекционными с двумя кабинами машиниста, но имеет значение диаметр их колес. Универсальные локомотивы (обычно грузопассажирские) применяются в грузовом и пассажирском движении, что оправдано при малых размерах движения, имеют меньшую мощность по сравнению с грузовыми и пассажирскими локомотивами, по своим прочим параметрам занимают промежуточное положение между ними; используются на ж. д. с малой интенсивностью движения.
Маневровые локомотивы
Маневровые локомотивы имеют существенно меньшую мощность по сравнению с поездными. Наибольшее значение для них имеют автономность, обеспечивающая возможность перемещения вагонов по всем станционным и подъездным путям, в том числе и по неэлектрифицированным; высокая готовность к работе вообще и в переменных режимах в особенности. Поэтому в качестве маневровых используются тепловозы, имеющие мощность (по энергетической установке) 800-1000 кВт. На ж. д. России – это 6-осные тепловозы ТЭМ2 и ЧМЭЗ. Однако для реализации необходимой силы тяги такой тепловоз при меньшей мощности имеет экипаж (и вес) практически одинаковый с одной секцией грузового тепловоза. Для тяжелой маневровой работы (например, надвига составов на сортировочные горки) могут использоваться и так называемые маневрово-вывозные тепловозы большей мощности – до 1500 кВт (тепловоз ТЭМ7). Меньшую мощность (до 500 кВт) имеют локомотивы, используемые для перемещения специальных вагонов в технологических процессах промышленных предприятий, для внутренних перевозок по заводским или подъездным путям без выхода на пути МПС (промышленные локомотивы).
Локомотивами иногда считают моторные вагоны специфического пассажирского состава ж. д.- моторвагонных электропоездов и дизель-поездов. Так как моторные и прицепные вагоны этих поездов не функционируют по отдельности, а всегда эксплуатируются в сцепе (или в виде отдельных секций, в которые входят один моторный вагон и один-два прицепных), эти поезда (включая их прицепные, несамоходные вагоны), так же как и рельсовые автобусы и автомотрисы, относят к тяговому подвижному составу.
Локомотивы делятся также по ширине рельсовой колеи: на локомотивы нормальной (или широкой) колеи, величина которой принята 1520 мм в России, СНГ и некоторых др. странах, и 1435 мм (4 фута и 8 г дюйма – «стефенсоновская» колея), принятая во многих странах Западной Европы, Азии и Америки; и узкоколейные – с шириной колеи от 600 до 1000-1100 мм. На ж. д. некоторых стран, преимущественно Юго-Восточной Азии (Япония, Вьетнам и др.), «нормальной» является ширина колеи 1067 мм (точнее, 1066,8 мм – 3 фута и 6 дюймов), для которой и строятся локомотивы. В России тепловозы с такой шириной колеи строились специально для Сахалинской железной дороги.
Маркировка и обозначения
Группы локомотивов любого типа, построенные по одному проекту, считают серией; на ж. д. России с 1912 г. принято обозначать заглавными буквами русского алфавита. Выпускаемым паровозам присваивалась серия локомотива, для чего использовалась обычно одна буква, которая смыслового содержания не имела, но в некоторых случаях дополнялась верхними буквенными индексами, отличающими варианты конструкции или указывающими предприятия-изготовители: например, серии К, С, У, Щ, Э и Ов, СУ, где индекс «В» указывал на тип парораспределения (система Вальсхарта), индекс «у» – означал «усиленный». Наиболее распространенный грузовой паровоз Э имел ряд модификаций: Эш (построен в Швеции в 20-е гг.), Эг (то же, в Германии), Эр (реконструированный в 30-е гг. и построенный в Румынии в 40-50-е гг.), Эм (модернизированный). В 30-е гг. для обозначения серий новых паровозов использовали двухбуквенные персональные инициалы: ФД (Феликс Дзержинский), ИС (Иосиф Сталин), СО (Серго Орджоникидзе). К буквенным обозначениям добавлялись числа, указывающие на величину нагрузки (в тс) от ведущих осей на рельсы (например, С017 и С018, ФД20 и ФД21). Таким же образом обозначались первые серии новых типов локомотивов: тепловозов (Щэл, Ээл, Эмх, Оэл, где буква серии принималась по серии паровоза одинаковой мощности, а индексы указывали на тип передачи: электрический, механический); 6-осные электровозы постоянного тока обозначались серией В Л (Владимир Ленин) с индивидуальной цифровой частью (величина нагрузки от оси на рельсы), дополняемой верхними индексами, указывающими на особенности конструкции (серии ВЛ19, ВЛ22, ВЛ22М и ВЛ23). После 1946 г. обозначения серий тепловозов начинаются с буквы Т (тепловоз), вторая, следующая за ней буква (Э или Г), указывает на тип передачи тепловоза – электрическая или гидравлическая передача. В обозначения пассажирских и маневровых тепловозов включена третья буква, указывающая на их назначение – П (лассажирский) или М (маневровый). Так составлены обозначения серий тепловозов ТЭ и ТГ (грузовые), ТЭП и ТГП (пассажирские), ТЭМ и ТГМ (маневровые). Для конкретных серий эти обозначения дополняются цифровой частью, которая представляет собой порядковый номер разработки завода-изготовителя: серии магистральных тепловозов с номерами от 1 по 40 разработаны харьковским заводом им. Малышева (ТЭЗ, ТЭ7, ТЭ10, ТЭ40), номера 50-99 отводились Коломенскому заводу (ТГП50, ТЭП60, ТЭП70, ТЭП80), номера 100 и выше – Луганскому (ТГ102, ТЭ114, ТЭ116, ТЭ121, ТЭ136). У маневровых тепловозов номер серии не связан с заводом-изготовителем: ТЭМ2, ТГМЗ, ТГМ6, ТЭМ7, ТЭМ18Г). У обозначений грузовых двухсекционных тепловозов перед серией ставится цифра 2 (или 3, 4 – при большем числе секций), например, 2ТЭ116, ЗТЭ10М, 4ТЭ10С. Буква после цифровой части несет ту же информацию, что и верхний индекс в обозначениях паровозов (варианты конструкции: М – модернизированный, Г – на газовом топливе, и т.п.). В обозначениях серий электровозов длительное время выдерживался принцип общей буквенной части на основе персональных инициалов – ВЛ. Первый электровоз переменного тока первоначально получил обозначение ВЛбО (6-осный, однофазный), которое затем стало читаться как ВЛ60. Аналогично были построены обозначения 8-осных электровозов ВЛ8 (постоянный ток), ВЛ80 (однофазный переменный). В дальнейшем улучшенные конструкции 8-осных электровозов постоянного тока получили обозначения серий ВЛ10, ВЛ10У и ВЛ11, а переменного тока различались индексами, например: ВЛ80Т, ВЛ80Р, ВЛ80К. Созданные в 1980-х гг. 12-осные электровозы получили обозначения соответственно ВЛ15 и В Л 85. Проекты и опытные образцы новых российских электровозов обозначают по принципу, похожему на обозначения тепловозов: начинают с буквы Э (электровоз), дополняя ее буквой П для пассажирских, и далее цифровой частью, где для обычных электровозов добавляют одну индивидуальную цифру (например, Э4, Э6, ЭП2, ЭП5), а для скоростных электровозов – три (например, ЭП100, ЭП200).
В обозначениях серий локомотивов, работающих в России, но построенных за рубежом, имеются буквы, указывающие на страну-изготовитель (например, маневровые тепловозы ЧМЭЗ и пассажирские электровозы ЧС4 – поставлены из Чехословакии).
В других странах обозначения серий локомотивов устанавливаются либо централизованно – в странах с национализированными ж. д. (во Франции, где серия локомотива обозначается двумя первыми цифрами пятизначного номера локомотива, например, 70000, 72000 и т.п.; в Великобритании также серия (класс) обозначается двузначным порядковым номером, например, 56, 58 – для тепловозов; 90, 92 – для электровозов Евротоннеля), либо фирмами-изготовителями, как в США. Общим является стремление вложить в обозначение серии локомотивов смысловое содержание.
Обозначения осевых формул
Осевая формула локомотива (или осевая характеристика) отражает число, расположение и назначение осей (колесных пар) локомотива (рис. 5.2). Для обычных паровозов она представляется в виде трех цифр, которые разделены знаком «-» (тире). Каждая из цифр последовательно соответствует числу направляющих (или бегунковых), ведущих и поддерживающих колесных пар, например, 1-5-1, 2-4-2, 0-5-0. Ноль означает отсутствие в экипажной части колесных пар данного назначения. Для тележечных локомотивов – тепловозов и электровозов, все колесные пары которых обычно служат ведущими, ноли в соответствующих разрядах не ставятся, в формулах отражается число ведущих колесных пар по тележкам (цифра 2, 3 или 4), дополняемое нижним индексом 0 (ноль), если ведущие колесные пары имеют индивидуальный привод (от отдельного тягового электродвигателя). Например, односекционный 6-осный тепловоз ТЭП70 имеет осевую формулу Зо-Зо, которая показывает, что у тепловоза две 3-осных тележки с индивидуальным тяговым приводом. Знак «-» (тире) означает, что тележки не соединены между собой (не сочленены). Для двухсекционного тепловоза 2ТЭ116, у которого секции соединены (сцеплены) между собой, что отражает знак «+», осевая формула выглядит так: Зо-Зо + Зо-Зо, или проще: 2(Зо-Зо). Аналогично для 8-осных электровозов: 2(2о-2о), для 12-осных: 2(2o-2o-2q). Для односекционных 6-осных электровозов (например, ВЛ22), у которых 3-осные тележки сочленены между собой, осевая формула имеет вид: Зо + Зо- Соответственно, для 8-осных локомотивов, у которых 4-осные тележки образованы путем объединения 2-осных (тепловозы ТЭМ7 и ТЭП80, электровозы ЭП100 и ЭП200), формула выглядит так: 2q + 2о-2о + 2q. Для тепловозов и электровозов нетележечного типа, когда все колесные пары размещены в одной общей раме, осевые формулы составляют как для паровозов, например, 2—5о 1 (осевая формула для серийного тепловоза Ээл довоенной постройки) или 0-3-0 (промышленный тепловоз ТГМ1 с групповым приводом колесных пар).
За рубежом в осевых формулах локомотивов число ведущих осей в тележках обозначают не цифрой, а буквой, порядковый номер которой в латинском алфавите соответствует числу осей (А – одна колесная пара, В – две, С – три, D – четыре). Следовательно, обозначение Со~Со в США или Великобритании соответствует формуле Зо-Зо- Наличие в экипаже локомотива направляющих и поддерживающих осей также обозначается цифрами, например, Ao-1-Ao-Ao-l-Ao (в данном случае у тепловоза с 3-осными тележками средние колесные пары в тележках не имеют тяговых электродвигателей) или 2-Bq-2 (электровоз с двумя ведущими осями в общей раме).
Тяговая характеристика локомотива
Тяговая характеристика локомотива представляет собой зависимость силы тяги F от скорости движения v и режима работы его силовой энергетической установки. Тяговая характеристика представляется в виде графика зависимости: F = f(v).
Осевая нагрузка локомотива
Осевая нагрузка локомотива или, точнее, нагрузка от ведущей оси на рельсы, характеризует статическое воздействие локомотива на ж.-д. путь. Для российских локомотивов установлены две нормы осевой нагрузки, связанной с прочностью пути: 225 кН (или 23 т массы, приходящейся на одну ведущую ось) и 245 кН (25 т массы на ось).
Служебный вес локомотива
Служебный вес локомотива -это полный вес локомотива в эксплуатационном состоянии, имеющего 2/з запасов расходуемых материалов (песка – для электровозов и топлива и песка – для тепловозов).
Служебный вес локомотива
Сцепной вес локомотива, или сцепная масса, – это вес (масса), приходящийся на все ведущие колесные пары и участвующий в реализации силы тяги. Так как почти все тепловозы и электровозы имеют все колесные пары ведущие, то для них сцепной вес равен служебному. Сцепной вес (как и служебный) равен сумме нагрузок от ведущих колесных пар на рельсы.