Электровозы

[Sanek841]

ЭЛЕКТРОВОЗ - локомотив, приводимый в движение находящимися на нем тяговыми электродвигателями, которые получают электроэнергию   от   стационарного   источника   - энергосистемы через тяговые подстанции и тяговую сеть от контактного провода либо от собственных тяговых аккумуляторных батарей. Выпускаются также комбинированные контактно-аккумуляторные электровозы, которые могут работать как от контактной сети, так и от аккумуляторной батареи. Подавляющее большинство находящихся в эксплуатации электровозов магистральных ж. д. являютсянеавтономными, т. е. не могут работать без контактной сети. На путях промышленных предприятий часто используются автономные электровозы, не зависящие от контактной сети. Для обеспечения маневровых работ наиболее подходящими являются контактно-аккумуляторные электровозы, которые используются также широко для обслуживания горных выработок, где прокладка контактного провода затруднена или невозможна. Таким образом, эксплуатируемые электровозы могут быть классифицированы по назначению, степени автономности, роду тока в тяговой сети; в зависимости от области использования и конструкции имеют ряд различных направлений.

                                                                                            Историческая справка 

Первые электровозы появились на ж.-д.  транспорте в кон. 19 в. как локомотивы, альтернативные паровозам. Развитие электротехники позволило создать мощные электродвигатели постоянного тока и двигатели переменного трехфазного тока. Были решены также проблемы генерирования электроэнергии и ее передачи по контактной сети. Идея реализации электрического локомотива с автономным или неавтономным питанием была высказана в первой половине 19 в., но первые практические результаты были получены в 1880 г. В России инженер Ф. А. Пироцкий установил электрический двигатель на пассажирском вагоне и провел первые опыты; в 1880 г. в Санкт-Петербурге был проложен для электровагона рельсовый путь. В том же году Э. В. Сименс в Германии и Т. А. Эдисон в США предложили свои конструкции. Новые локомотивы смогли заменить паровую тягу в специфических условиях эксплуатации ж. д.- в длинных тоннелях и на горных (перевальных) участках с большими уклонами. При этом проявились главные преимущества электровоза — отсутствие выбросов отработанных газов, возможность увеличения силы тяги путем форсировки тяговых электродвигателей на руководящем  уклоне,  реализация идеи  рекуперативного торможения с возвратом энергии в тяговую сеть. Впоследствии область рационального применения электровозов существенно расширилась: их стали использовать и на равнинных участках с интенсивным движением поездов, где решающее значение имел высокий кпд самого электровоза (до 88-91%) и всей системы электрической тяги (до 30% при питании преимущественно от тепловых электростанций и до 50-60% при питании от гидро­электростанций).
Первые электровозы на российских ж. д. появились в 1929-1930 гг. в связи с электрификацией Сурамского перевала на Закавказской железной дороге (линия Баку-Батуми). На линии эксплуатировались закупленные в Италии, США, и Германии 6-осные электровозы постоянного тока 3 кВ, получившие обозначение С (с индексом, соответствующим стране-изготовителю). 
В России было налажено производство электровозов на Коломенском заводе совместно с московским заводом «Динамо», который начал выпускать тяговые электродвигатели и электрооборудование. В 1932 г. был выпущен первый отечественный грузовой электровоз сети Сс, впоследствии - ВЛ19 (цифра 19 указывает осевую нагрузку в т на рельсы). Этот принцип сохранялся в обозначениях электровозов ВЛ22 и ВЛ23, позже перешли к указанию числа осей (постоянного тока ВЛ8), а затем добавили букву «О», которая обозначала род тока (электровозы, работающие на однофазном токе), соответственно 6-осные и 8-осные локомотивы ВЛ60, ВЛ80 (позднее буква трансформировалась в ноль).
Электровозы, имеющие обозначение ВЛ, были предназначены для грузового движения, хотя довольно часто используются и для тяги пассажирских поездов. Конструктивная скорость электровозов ВЛ обычно не превышает 100 км/ч. 
В 70-е гг. был реализован переход на более мощные 12-осные электровозы на базе двух 6-осных секций, в каждой из которых кузов опирался на три 2-осные тележки (постоянного тока ВЛ15 и переменного тока ВЛ85, ВЛ86). Однако одновременно получила распространение и концепция более гибкого типажного решения, когда выпускались 4-осные секции, из которых можно было формировать тяговые единицы из 2-4 секций (постоянного тока ВЛ11М, переменного тока ВЛ80С). 
По мере расширения электрификации ж. д. наряду с грузовыми электровозами начался выпуск скоростных электровозов, параметры которых были приспособлены для тяги пассажирских поездов. Первый пассажирский электровоз, получивший наименование ПБ (Политбюро), был выпущен Коломенским заводом в 1934 г. Электровоз имел 6 осей, групповой привод колесных пар. Небольшие партии грузовых электровозов ВЛ19, ВЛ22, ВЛ60 выпускались с измененным передаточным отношением от тяговых двигателей на колесные пары, что позволяло использовать их в пассажирских сообщениях (с дополнительной буквой П, например ВЛ60П).
В нач. 90-х гг. произошло значительное снижение перевозочной работы, вследствие чего потребность в сверхмощных электровозах сократилась, имевшийся парк электровозов стал вполне достаточным для выполнения перевозок; выпуск новых электровозов сократился. Электровоз ВЛ85, имевший наиболее отработанную конструкцию, начали выпускать в односекционном исполнении (ВЛ65). Для возможности использования электровоза в пассажирском сообщении было применено опорно-рамное подвешивание тяговых двигателей, в результате чего конструктивная скорость повысилась до 140 км/ч. Было предусмотрено электрическое отопление пассажирского поезда от электровоза. Такой электровоз фактически относится к классу универсальных - грузопассажирских.
Основу эксплуатируемого парка пассажирских локомотивов составляют 6-осные электровозы ЧС2 и ЧС2Т постоянного тока, электровозы ЧС4 и ЧС4Т переменного тока, а также 8-осные электровозы ЧС6, ЧС7 и ЧС200 постоянного тока и с такой же ходовой частью электровозы ЧС8 переменного тока. С сер. 90-х гг. на магистральных ж. д. эксплуатируются скоростные пассажирские электровозы (1994 г.), 8-осные односекционные электровозы ЭП200, конструктивную скорость которых предполагалось довести до 250 км/ч, и упрощенная модификация такого электровоза на конструктивную скорость 160 км/ч. В 2001 г. в связи с развитием скоростного движения выпуск электровозов на максимальные скорости 200-250 км/ч увеличился. Основные пассажиропотоки в высокоскоростном пассажирском сообщении реализованы моторвагонными электропоездами. В сер. 90-х гг. были изменены обозначения новых электровозов: в обозначение грузовых электровозов ввели букву Э (например, Э1, Э2, ЭЗ и т.д.), а для пассажирских и универсальных - буквы ЭП, в частности электровоз ВЛ65 получил обозначение ЭП1, электровоз, выполненный на базе его механической части, с возможностью питания от сети как постоянного, так и переменного тока, - ЭП10.
Наряду с электровозами для магистральных ж. д. производятся мощные промышленные электровозы (для тяговых агрегатов), используемые на открытых горных разработках (в основном на специализированном электровозостроительном заводе и на Новочеркасском заводе). Частично промышленные электровозы закупались в ГДР (локомотивный завод в г. Хеннингсдорф). Ввиду специфики работы тяговых агрегатов (необходимость преодоления очень крутых подъемов с уклонами до 80%о при выезде из карьера), в состав агрегата для усиления тяги входят моторные грузовые вагоны, тяговые электродвигатели которых питаются от электровоза.
 

                                                                                                   Устройство

Электровоз является наибо­лее перспективным видом локомотива благодаря его самой высокой экономичности, относительно простой конструкционной компоновке, небольшим затратам на ремонт и техническое обслуживание, меньшей сложности в управлении, возможности реализации рекуперативного торможения, а также экологичности. Перспектива использования электровозов связана с сокращением запасов природного топлива и расширением применения ядерной и солнечной энергий, в результате чего появятся новые разновидности и конструктивные реализации.
Базовый тип электровоза можно считать вполне устоявшимся: любой электровоз (рис.) имеет токоприемник, в конструкцию входят экипажная часть (механическая), которая в значительной мере аналогична тепловозной и может быть унифицирована по одним признакам, электрическое и пневматическое оборудование.

Базовый тип электровоза а - основные конструктивные размеры, б - радаещение оборудования 1 -кабина управления, 2 - токоприемник, 3 - воздушные резервуары, 4 - воздуховоды системы вентиляции тяговых двигателей, 5 - электропневматическое тормозное оборудование, 6 - мотор-вентилятор, 7 - жалюзи с фильтрами, 8 -групповой электрический переключатель (силовой контроллер), 9 — главные воздушные резервуары, 10 — реверсоры и тормозные переключатели,  11 - мотор-компрессор

К механической части относится кузов, в котором размещаются кабины с пультом управления, высоковольтные камеры с электрооборудованием, вспомогательные электрические машины, предусмотрены проходы для локомотивной бригады и др. Кузов центральными опорами с упругими элементами опирается на рамы тележек, которые передают вертикальные нагрузки на колесные пары и через них на рельсы, а также служат опорой для тяговых электродвигателей и передают тяговые усилия от них на колесные пары и на кузов, а через кузов — поезду. В свою очередь рама каждой тележки опирается на 2 и 3, гораздо реже на 4 колесные пары через наружные буксовые подшипники и систему упругих элементов, обычно называемую буксовым подвешиванием.

• Токоприемник - электрический аппарат, служащий для создания контакта электрического оборудования электровоза с контактной сетью. Токоприемники различают по условиям работы — для токосъема с воздушной (проводной) контактной подвески и с контактного рельса; по конструктивному исполнению - пантографные для ЭПС ж.-д. транспорта, дуговые и штанговые - для трамваев и штанговые - только для троллейбусов, а также рельсовые - на линиях метрополитена.

Пантографные токоприемники, устанавливаемые на электровозе, имеют подъемный механизм в виде шарнирного многозвенника, применяются на электровозах магистральных ж. д. и трамваях. Пантографный токоприемник имеет симметрично расположенные подвижные рамы, соединенные с неподвижным основанием. На скоростном ЭПС получили распространение асимметричные конструкции с одним нижним рычагом, что позволяет снизить габаритные установочные размеры аппаратов. На верхних рамах с помощью кареток установлены один или два полоза, снабженные контактными вставками, которые при движении скользят по контактному проводу. Каретки с помощью пружинных элементов обеспечивают гибкую связь полозов и рам для уменьшения кратковременных динамических сил в точке контакта. Токоприемники должны обеспечивать съем токовых нагрузок в соответствии с действующими нормативами по вертикальному и горизонтальному габаритам положения контактного провода, необходимую поперечную жесткость, соответствовать требованиям к активной и пассивной составляющим статического нажатия, а также выдерживать повышение нажатия от аэродинамического воздействия, которое определяется скоростью обтекания аппарата воздушным потоком (при повышении скоростей движения, воздействии ветровых нагрузок). Как правило, аэродинамическая составляющая контактного нажатия не должна превышать 80% от среднего статистического нажатия для конкретного типа токоприемника.
Перевод токоприемника в рабочее положение  осуществляется  пневматическим  приводом, установленным на основании токоприемника или на крыше электровоза. Токоприемник поднимается пружинами при подаче сжатого воздуха в пневмоцилиндр и опускается при выпуске воздуха. Необходимый уровень давления в пневмоцилиндре поддерживается в течение всего рабочего времени. Некоторые токоприемники имеют торсионный электромеханический привод, оборудованы специальными устройствами для автоматического опускания аппарата при ударе полоза о неисправный элемент контактной сети.
На скоростном ЭПС токоприемники часто выполняют в виде двух подвижных систем, когда на небольшие изменения высоты подвеса контактного провода реагирует верхняя система, а при больших ее изменениях (например, в зоне низких искусственных сооружений) работает и нижняя система рам, что позволяет стабилизировать контактное нажатие на оптимальном уровне. Для улучшения динамических процессов применяют систему авторегулирования положения верхней и нижней рам. Для улучшения токосъема на токоприемниках высокоскоростного ЭПС устанавливаются гидравлические амортизаторы.

Тяговый привод включает в себя тяговые двигатели, передачу, движитель, элементы подвешивания. Способ подвешивания тяговых двигателей имеет большое значение, поскольку именно он определяет конструкционную скорость электровоза, зависящую от величины неподрессоренных масс. В состав неподрессоренных масс всегда входит колесная пара вместе с корпусом буксы и надетым на ось колесной пары большим зубчатым колесом тягового редуктора, передающим силу тяги от тягового электродвигателя на колесную пару. Масса колесной пары (с буксовым узлом и большим зубчатым колесом) при номинальном диаметре 1250 мм (стандарт российских и зарубежных электровозов) может достигать 1,6-1,9 т. Простейшим является траверсное опорно-осевое подвешивание тяговых электродвигателей (грузовые электровозы ВЛ), когда остов двигателя одним концом опирается на ось колесной пары через моторно-осевой подшипник, а другим — через кронштейны на раму тележки. Тяговый электродвигатель имеет массу 6-8 т, поэтому в такой подвеске неподрессоренная масса составляет примерно 0,5 от общей массы, что существенно ограничивает максимальную скорость движения электровоза и увеличивает ударное воздействие на путь. При опорно-осевом подвешивании применяют простую передачу с жесткой фиксацией оси колесной пары, на которую насажено большое зубчатое колесо, и оси тягового двигателя, несущей малую шестерню тяговой передачи, в общем корпусе тягового редуктора.

На пассажирских электровозах, имеющих скорость более 120 км/ч, обязательным является опорно-рамноеподвешивание тягового двигателя, когда он опирается полностью только на раму тележки и вся его масса, следовательно, является подрессоренной, что существенно способствует улучшению динамических качеств электровоза. Такое подвешивание характерно для электровозов ЧС, а также для российских электровозов (ЭП1, ЭП200 и других электровозов этой серии). При таком подвешивании тяговых двигателей затрудняется передача тягового усилия на колесную пару, поскольку в отличие от системы опорно-осевой подвески расстояние от оси двигателя до оси колесной пары изменяется при их колебаниях во время движения. При опорно-рамном подвешивании используются очень сложные передачи с карданным валом, пропущенным через полый вал тягового электродвигателя (электровозы ЧС), или с упругими муфтами на ряде электровозов (например, производства фирмы «Аль-стом»).
Возможно применение опорно-кузовного подвешивания, при котором тяговый электродвигатель подвешен к раме кузова снизу и, следовательно, подрессорен наилучшим образом. В этом случае существенно усложняется передача вращающего момента на колесную пару, т. к. она смещается и поворачивается относительно кузова, например, при входе электровоза в кривую или при колебаниях виляния состава. Такое подвешивание применяется обычно в сочетании с групповым приводом, например, широко использовано в поездах TKB(TGV) высокоскоростных железных дорог (во Франции и др. странах). Двигатель расположен внутри кузова, поэтому нет габаритных ограничений на его исполнение, что характерно для опорно-осевого и опорно-рамного подвешиваний. Тяговый редуктор выполнен многоступенчатым с промежуточными зубчатыми колесами и распределением вращающего момента на две или три колесные пары (для 2- или 3-осных тележек).

Рессорное подвешивание экипажа - система механических упругих элементов, предназначенная для смягчения ударных нагрузок и регулирования колебаний (перемещений) кузова. Рессорное подвешивание выполняется двухступенчатым с центральной ступенью (между кузовом и рамой тележки) и буксовой ступенью (между рамой тележки и буксой колесной пары). В качестве упругих элементов обычно используют цилиндрические винтовые пружины в сочетании с гидравлическими или фрикционными гасителями колебаний. В обеих ступенях обязательно предусматривают устройства для передачи продольных усилий при тяге и торможении. Эти устройства выполняются так, чтобы разгрузка колесных осей при действии продольных сил была минимальной. С этой точки зрения наилучшей является система низкого крепления и гибкого соединения рамы кузова с рамой тележки - на последней, наиболее близко расположенной к головке рельса (электровозы ВЛ85 и последующие серии Новочеркасского завода).

Электрическое оборудование включает в себя тяговые электродвигатели, вспомогательные электрические машины, статические преобразователи, устройства токосъема, аппараты защиты электрических цепей, аппараты и приборы управления, в которых использованы электронные системы, микропроцессоры, системы регистрации параметров и т. п. Тип электрооборудования, с одной стороны, определяется родом тока, получаемого из контактной сети (постоянный 3 к В или переменный напряжением 25 кВ с частотой 50 Гц), с другой стороны, типом тяговых электродвигателей - постоянного тока или бесколлекторные (асинхронные или вентильные). 
Пневматическое оборудование обеспечивает работу тормозных систем состава и электровоза. Кроме того, сжатый воздух используется в приводах различной электроаппаратуры на самом электровозе (токоприемники, контакторы, групповые электрические аппараты, в т. ч. реверсоры и тормозные переключатели) для работы пескоподающей системы, гребнесмазывателей, стеклоочистителей и др. К пневматическому оборудованию относятся главные и вспомогательные компрессоры с приводным двигателем и электродвигателями, главные воздушные резервуары, которые размещаются на крыше и частично под кузовом, воздушные трубопроводы, соединенные с магистралями состава, краны машиниста для управления тормозами, реле и регуляторы давления, концевые и разобщительные краны, переключатели электропневматического тормоза.
Пневматическое оборудование питает воздушные системы, от работы которых зависит безопасность движения, обеспечение расчетного тормозного пути. Контролю тормозной воздушной магистрали уделяется особое внимание: пробу тормозов производят при каждой прицепке электровоза к составу, при остановке поезда на участковых станциях и при любом изменении составности поезда, а также в местах, обозначенных путевыми указателями (обычно перед участком с вредным спуском и остановками на станциях).