Общие принципы механики движения поездов и работы локомотивов
(Продолжение цикла статей. Начало см. «Локомотив» №8-11, 2015 г.)
ЧАСТЬ 5. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКОМОТИВОВ
КЛАССИФИКАЦИЯ локомотивов
Известные автономные локомотивы (см. «Локомотив» № 9 — 11 за 2015 г.) различаются по типам энергетических установок. Их также разделяют (классифицируют) по ряду наиболее важных признаков (например, тип кузова, число секций, ширина колеи и др.), которые часто определяют внешний вид локомотива и другие его важнейшие конструктивные особенности или технические характеристики.
В первую очередь локомотивы разделяют по виду выполняемой работы (роду службы), для которой они предназначены, а именно, выделяют следующие группы (парки) локомотивов: поездные, маневровые и промышленные.
Поездные локомотивы выполняют основную работу железнодорожного транспорта — перевозку грузов и пассажиров. Конструкция и характеристики поездных локомотивов любого типа различаются в зависимости от вида поездного движения, для которого они, собственно, и проектируются. Поездные локомотивы бывают грузовые, пассажирские и универсальные.
Грузовые локомотивы предназначены для вождения по магистральным железным дорогам грузовых составов. Они должны обладать большими тяговыми возможностями для выполнения тяжелой поездной работы, в том числе с составами большой массы (4 — 6 тыс. т). Для этого они должны быть способными реализовывать силу тяги, соответствующую большим расчетным значениям (60 кН на ведущую ось и более).
Для современных грузовых тепловозов и электровозов характерны большое число ведущих колесных пар (как правило, не менее 8 — 12) и значительные мощности. Они обычно состоят из двух одинаковых секций с кабинами управления в каждой секции. Иногда, в особо тяжелых условиях эксплуатации, применяются трех- и даже четырехсекционные грузовые локомотивы (тепловозы и электровозы). Максимальная (конструкционная) скорость их движения (на российских магистралях) обычно не превышает 120 км/ч.
Пассажирские локомотивы проектируются для работы со скорыми пассажирскими поездами и должны обеспечивать высокие скорости движения, в том числе на затяжных подъемах, что позволяет сократить время хода поезда. Конструкционная скорость таких локомотивов — 160 — 200 км/ч. Для реализации высоких скоростей движения значение секционной мощности пассажирских локомотивов, как правило, больше, чем секции грузовых локомотивов. Для пассажирского движения не требуется большое число сцепных осей локомотива, зато заметную роль при этом играет диаметр его ведущих колесных пар, от которого зависит скорость поступательного движения. При увеличении величины диаметра колес можно быстрее осуществить разгон локомотива с пассажирским поездом. Обычно пассажирские локомотивы строят односекционными, но с двумя кабинами машиниста, что исключает необходимость поворота локомотива в пунктах их оборота.
К пассажирским локомотивам относят и моторные вагоны пассажирского подвижного состава — моторвагонных электропоездов и рельсовых автобусов, а также дизель-поездов.
Универсальные локомотивы (обычно грузопассажирские) используются на железных дорогах с малой интенсивностью движения. При малых размерах движения экономически целесообразно применять одни и те же локомотивы в грузовом и пассажирском движении. Универсальные локомотивы имеют меньшую мощность по сравнению с грузовыми и пассажирскими и по значениям технических параметров занимают как бы промежуточное положение между ними.
Маневровые локомотивы выполняют вспомогательную, так называемую маневровую, работу на железных дорогах. Эти локомотивы производят технологические операции — передвижение отдельных вагонов или их групп в пределах конкретных железнодорожных станций, при формировании и расформировании составов поездов, погрузке и выгрузке вагонов и выполняют другие маневровые операции. Маневровая работа не связана непосредственно с движением поездов по магистральным железным дорогам.
Маневровые локомотивы, как правило, не используются в поездной работе и поэтому обычно имеют меньшую (в разы) мощность энергетической установки по сравнению с поездными, поскольку перемещают составы меньшей массы и движутся по путям станций с небольшими скоростями. Наибольшее значение для таких локомотивов имеют такие качества как автономность для возможности выполнения маневровых операций на станционных и подъездных неэлектрифицированных путях, высокая готовность к работе вообще и к ее переменным режимам, в особенности. В качестве маневровых локомотивов, в основном, используются тепловозы, имеющие мощность силовой установки порядка 800 — 1000 кВт.
Промышленные локомотивы (в основном тепловозы с гидропередачей) эксплуатируются преимущественно на подъездных путях и в цехах промышленных предприятий, выполняя технологические (внутрицеховые, например, при разливке стали в мартеновских цехах металлургических заводов) и межцеховые перевозки, а также вывозную работу, как правило, без выхода на железнодорожные пути общего пользования. Промышленные локомотивы являются собственностью предприятий.
Промышленные локомотивы имеют, в основном, три-четыре ведущие колесные пары и меньшую мощность силовой установки по сравнению с маневровыми.
Локомотивы делятся также по ширине рельсовой колеи, так как от этого параметра зависят их габаритные размеры и, что особенно важно, конструктивные особенности ходовой части (тележек). Ширина рельсовой колеи — расстояние между внутренними боковыми гранями рельсов.
В мире наиболее распространены следующие размеры ширины рельсовой колеи железных дорог, в соответствии с которыми и строятся локомотивы, а именно:
1676 мм (5 футов и 6 дюймов)— индийская колея —Индия, Иран, Пакистан, Бангладеш, Таиланд и другие страны Азии, а также Аргентина и Чили;
1668 мм (5 футов и 5 V2 дюймов) — иберийская колея — Испания и Португалия;
1600 мм (5 футов и 3 дюйма) — ирландская колея — Ирландия, Австралия, Бразилия;
1520 мм (1524 мм — 5 футов) — российская (широкая, русская) колея — Россия, страны СНГ и Балтии, Монголия, Финляндия;
1435 мм (4 фута и 81/2 дюймов) — европейская стандартная (стефенсоновская) колея — принята в большинстве стран Западной Европы, странах Северной Америки (США, Канада, Мексика), Китае и ряде других стран Азии, Африки и Латинской Америки;
1067 мм (точнее 1066,8 мм — 3 фута и 6 дюймов) — капская колея — ЮАР и многие страны Южной Африки, Япония, Австралия, Новая Зеландия и Сахалинская дорога (РФ);
1000 мм — метровая колея — Аргентина, Бразилия, Чили, Вьетнам, Таиланд и другие страны Азии;
750 и 760 мм — узкая колея — многие страны мира.
В табл. 1 приведены данные о распространенности в мире различных размеров рельсовой колеи. Из данных таблицы следует, что почти на 72 % мировой сети железных дорог приняты два размера: 1435 мм (европейская колея) и 1520 мм (русская колея).
Но почему в разных странах мира «нормальной» принимают разную ширину железных дорог: 1000, 1067, 1435, 1520, 1600, 1668 и 1676 мм? В первой половине XIX века Англия занимала ведущие позиции в мире по промышленному развитию и строительству железных дорог. Большинство железных дорог в странах мира в то время строились по проектам и под руководством английских специалистов и инженеров.
По проекту, разработанному Джорджем Стефенсоном — создателем первой в мире железной дороги Дарлингтон — Стоктон, в Англии за основу была принята ширина колеи 4 фута и 81/2 дюймов. Затем во многих европейских странах, США, Канаде, Мексике и Китае при строительстве собственных железных дорог за норму также была принята ширина колеи 4 фута и 81/г дюймов (1 фут равен 304,8 мм, дюйм — 25,4 мм), т.е. 1435 мм, в дальнейшем этот размер стал называться «стефенсоновской» колеей.
При проектировании железной дороги Петербург — Москва отечественные специалисты признали целесообразным для России иметь более широкую, чем стефенсоновская, колею, а именно 5 футов — 1524 мм, которая и стала нормой для железных дорог России, Финляндии и Монголии. С 1972 г. в нашей стране вступили в действие новые Правила технической эксплуатации (ПТЭ), которыми было предусмотрено уменьшение ширины рельсовой колеи с 1524 до 1520 мм.
Интересно также, как появились малоизвестные читателю названия «капская» для ширины колеи 1067 мм и «иберийская» 1668 мм? По поводу происхождения названия «капская» колея существуют две версии. Первая связана с историческим фактом, что
первые в мире магистральные железные дороги с шириной колеи 1067 мм (3 фута и 6 дюймов) были построены в Капской провинции Южной Африки и, соответственно, этот размер ширины колеи был назван в честь данной провинции. В настоящее время в ЮАР эксплуатируются более 20 тыс. км магистральных дорог с шириной колеи 1067 мм.
Вторая версия гласит, что К.А.П. — не что иное как инициалы инженера Карла А. Филиса (Carl A. Philis), построившего железную дорогу на севере Норвегии с шириной колеи 1067 мм, изолированную от сети железных дорог этой страны. Так или иначе, но по распространенности в мире «капская» колея в настоящее время занимает почетное третье место, уступая лишь европейской и русской рельсовой колее.
Происхождение названия «иберийская» колея (5 футов и 51/2 дюймов) также связано с географией ее появления и распространения. Португалия и Испания, железные дороги которых были построены по иберийскому стандарту (1668 мм), находятся на Пиренейском полуострове, древнее название части территории этого полуострова, примерно совпадающего с границами современного государства Испания, было Иберия.
Уместен и такой вопрос. Почему Дж. Стефенсон при строительстве первой в мире дороги взял за основу размер рельсовой колеи 1435 мм, а не другие величины?
Из истории известно, что первые мощеные камнем дороги между населенными пунктами Европы (в том числе и в Англии) строились римлянами для передвижения их тяжелых боевых колесниц. При эксплуатации таких дорог появлялась наезженная корытообразная колея шириной, соответствующей естественным габаритам конной упряжки колесниц. Правда, эта версия, скорее всего, объясняет происхождение слова «колея», но не ширины колеи.
С появлением промышленности на их территориях стали строить так называемые лежневые (деревянные) транспортные дороги, по которым перемещались различные грузы. И, наконец, в 1767 г. на некоторых металлургических заводах Англии стали применять для транспортных целей первые чугунные рельсы корытообразного профиля. Так появились конные железные дороги (чугунки или конки) с шириной колеи 4 фута и 6 дюймов — 1372 мм, что соответствовало естественным габаритам упряжки конки.
При проектировании паровозов для дороги с этой шириной колеи у Дж. Стефенсона возникли затруднения с возможностью размещения цилиндров паровой машины по бокам парового котла. Ему пришлось «раздвинуть» колеса локомотива и, соответственно, рельсы дороги на 2,5 дюйма (примерно 63 мм). Так появился европейский стандарт колеи — стефенсоновская колея — 1435 мм.
В Японии вследствие сложного рельефа местности за норму была принята капская ширина колеи 1067 мм (3 фута и 6 дюймов), в Португалии и Испании — 1668 мм (5 футов и 51/2дюйма), в Индии — 1676 мм (5 футов и 6 дюймов).
В особо сложной ситуации оказалось большинство развивающихся стран — бывших колоний, в которых строились изолированные железнодорожные линии с различной шириной колеи даже между отдельными населенными пунктами. В результате при объединении магистральных линий в единую транспортную сеть в этих странах были вынуждены устанавливать в колею третий рельс или полностью перешивать рельсовую колею под европейский стандарт — 1435 мм, так как и поныне новый подвижной состав в основном закупается в европейских странах (Германия, Франция, Австрия и др.).
Локомотивы также различают по типу кузова: вагонного и ка-потного (рис. 1). Кузов локомотива служит для внешнего ограждения и защиты от атмосферных воздействий основных узлов и агрегатов локомотива, а также создания необходимых условий для работы локомотивной бригады.
Кузова вагонного (полностью закрытого) типа применяются на всех современных отечественных поездных тепловозах и электровозах. Характерной особенностью этого типа кузова является то, что локомотивная бригада имеет возможность контролировать работу узлов и агрегатов и переходить из секции в секцию (на двух- и многосекционных локомотивах) без выхода наружу. Соответственно, между стенкой кузова и силовым оборудованием (например, тепловозным дизелем) локомотива предусмотрены проходы шириной А (рис. 1,а), по которым можно пройти из секции в секцию.
Кузова капотного типа в нашей стране нашли применение, в основном, на маневровых и промышленных локомотивах. В этом случае для осмотра и обслуживания оборудования, находящегося под съемным капотом, из кабины машиниста (КМ) нужно выйти на боковые площадки, огражденные поручнями (рис. 1,6). Кузова капотного типа легче и дешевле, проще вести монтаж и демонтаж оборудования при ремонтах локомотивов. Однако суровый климат в большинстве районов нашей страны делает проблематичным их использование на магистральных локомотивах. Тем не менее, в ряде стран мира с более мягким климатом (например, в США) применяются магистральные локомотивы именно с кузовами капотного типа.
Очень важной характеристикой локомотива является число секций. Соответственно, различают: односекционные, двухсекционные и многосекционные локомотивы.
Одно-, двух- и многосекционные поездные локомотивы имеют разное число кабин машиниста (КМ) у головных секций (рис. 2). Любая из головных секций (А или Б) локомотива может эксплуатироваться самостоятельно. Промежуточные секции (например, В) многосекционных локомотивов управляются только с головных секций, поэтому они могут вообще не иметь кабины машиниста. Секцию локомотива без кабины машиниста называют бустер или бустерной секцией. Все секции двух- и многосекционных локомотивов соединены между собой переходными площадками, закрытыми от атмосферного воздействия.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКОМОТИВОВ
Серия. Серии локомотивов, т.е. группы локомотивов, построенных по одному проекту, на железных дорогах нашей страны принято обозначать сочетанием заглавных букв русского алфавита и цифр.
Паровозы. Первые паровозы для железных дорог строились единичными экземплярами, поэтому получали свои собственные имена по усмотрению своих создателей. Например, на Царскосельской железной дороге первые несколько паровозов получили наименования: «Стрела», «Орел», «Проворный», «Слон», «Лев», «Богатырь».
С середины XIX века и до 1917 г. серии паровозов русских железных дорог стали обозначать одной заглавной буквой русского алфавита. Паровозостроение России в этот период характеризовалось многосерийностью, до 50 % локомотивов строилось за границей. В результате для обозначения серий паровозов были использованы не только все буквы русского алфавита (паровозы серий А, Б,... Я), но и дополнительно в обозначение серии вводилась верхняя буквенная индексация (например, Эг, Ыч, Ку, Ов Ън, Щр, Лг), которая указывала на конструктивные особенности этой серии паровоза, на предприятие-изготовитель или страну-изготовитель. Например, наиболее распространенный грузовой паровоз Э имел ряд модификаций: Эш (построен по российскому проекту в Швеции), Эг (то же в Германии), Эр (реконструированный и построенный в Румынии), Эм (модернизированный).
В 1930-е годы для обозначения серий новых паровозов использовали двухбуквенные персональные инициалы отдельных лиц: грузовые паровозы ФД («Феликс Дзержинский»), СО («Серго Орджоникидзе»), пассажирский — ИС («Иосиф Сталин»). В 1947 г. постановлением правительства наименование Л было присвоено послевоенным паровозам Коломенского завода типа 1—5—0 в честь главного конструктора завода Л.С. Лебедянского, под руководством которого эта серия была разработана. В октябре 1945 г. на Коломенском заводе был построен первый грузовой паровоз серии П («Победа»). В дальнейшем там же были построены грузовые паровозы П34 и П38, а также пассажирский П36, которые оказались последними сериями паровозов, созданными в нашей стране. В 1956 г. в связи с переходом железных дорог на новые виды тяги решением правительства строительство новых паровозов было прекращено.
Тепловозы. Первоначально тепловозы в СССР и их серии обозначались таким же образом, как и паровозы, т.е. заглавными буквами русского алфавита. Так, первые тепловозы, построенные в период 1924 — 1938 гг., имели обозначения Щэл, Ээл, Эмх, Оэл, в которых основная буква серии принималась той же, что и у паровоза аналогичной мощности. Верхние индексы указывали на тип передачи, которая была применена на тепловозе («эл» — электрическая, «мх» — механическая).
После 1946 г. с начала серийного тепловозостроения обозначения серий тепловозов стали составлять по единому принципу. Обозначение серии тепловозов начинали 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). В обозначениях серий грузовых тепловозов третьей буквы нет.
Цифровая часть серии тоже стала носителем дополнительной информации. Так, цифровая часть, после буквенной, представляла собой порядковый номер разработки проекта заводом-изготови-телем.
В СССР были три завода, которые во второй половине XX века (до 2000 г.) строили поездные (магистральные) тепловозы. Поэтому номера серий были «поделены» между ними. Номера серий от 1 до 49 присваивались магистральным тепловозам, спроектированным и построенным Харьковским тепловозостроительным заводом им. В.А. Малышева (ныне «Завод имени Малышева»). Основные серии тепловозов этого завода имели обозначения (последовательно): ТЭ1, ТЭ2, ТЭЗ, ТЭП7, ТЭ10, ТЭП10 и ТЭ40.
Номера серий от 50 по 99 были отведены тепловозам разработки Коломенского тепловозостроительного завода им. В.В. Куйбышева (это были пассажирские локомотивы: ТГП50, ТЭП60, ТЭП70, ТЭП75 и ТЭП80).
Номера серий 100 и выше входят в серии локомотивов, построенных Луганским (одно время Волошиловградским) тепловозостроительным заводом им. Октябрьской революции (ныне «Лугансктепловоз»), Вот примеры серий тепловозов этого завода: ТГ102, ТЭ114, ТЭ116, ТЭ121 и ТЭ136.
Цифра перед буквенным обозначением серии показывала число секций многосекционного тепловоза.
Таким образом, обозначение 2ТЭ116 расшифровывается так: грузовой двухсекционный тепловоз с электрической передачей серии 116 Луганского завода; ТЭП80 — односекционный пассажирский тепловоз с электрической передачей постройки Коломенского завода.
У маневровых и промышленных тепловозов цифровая часть серии не была связана с заводом-изготовителем. Маневровые и промышленные тепловозы в стране строят следующие заводы: Людиновский тепловозостроительный завод (ТГМ4Б, ТГМ6Д, ТЭМ7А, ТЭМ9 и ТЭМ14), Брянский машиностроительный завод (ТЭМ2, ТЭМ6, ТЭМ15, ТЭМ16, ТЭМ18ДМ и ТЭМ19), Муромский тепловозостроительный завод (ТГМ23В), Калужский машиностроительный завод (ТГК2М, ТГМ61), Камбарский машиностроительный завод (ТГМ40 и узкоколейные тепловозы ТУ7А, ТУ8 и ТУЮ).
Дополнительная буква в обозначении серии тепловоза после цифровой части несет ту же информацию, что и верхний индекс в обозначениях серий паровозов (варианты или особенности конструкции: М — модернизированный, С — северное исполнение для БАМа, например, 4ТЭ1 ОС; Г — на газовом топливе, например, ТЭМ18Г).
В обозначении серий зарубежных тепловозов, работающих в России, введена буква, указывающая на страну-изготовитель. Так, серии ЧМЭЗ и ВМЭ1, поставлявшиеся в советские времена, означают маневровые тепловозы с электрической передачей, построенные, соответственно, в Чехословакии и Венгрии.
В настоящее время серийное производство новых российских магистральных локомотивов (в том числе тепловозов четвертого поколения) осуществляется на предприятиях ЗАО «Трансмашхолдинга». Так, на ОАО «Коломенский завод» этого холдинга идет серийный выпуск пассажирских тепловозов ТЭП70БС, а на ОАО «Брянский завод» — грузовых тепловозов нового поколения 2ТЭ25КМ и 2ТЭ25А с асинхронными тяговыми электродвигателями (ТЭД). Нужно отметить, что впервые в российской истории тепловозы серий 2ТЭ25КМ и 2ТЭ25А получили имена собственные — «Пересвет» и «Витязь» соответственно. В перспективе планируется выпуск пассажирского тепловоза ТЭП35 и грузового 2ТЭ35.
Таким образом, буквенное обозначение серий перспективных российских тепловозов четвертого поколения осталось без изменений, цифры (число) же обозначают не только номер серии тепловозов, но и условную секционную мощность локомотива в киловаттах. В обозначении серий перспективных грузовых тепловозов после цифр также дополнительно введена буква, которая уточняет тип электрической передачи и тяговых электродвигателей (К — передача переменно-постоянного тока, а ТЭД постоянного тока, т.е. коллекторные; А — передача переменного тока, асинхронные ТЭД). Таким образом, обозначение 2ТЭ25А расшифровывается так: грузовой двухсекционный тепловоз с электрической передачей переменного тока и асинхронными ТЭД, серии 25, секционной мощностью 2500 кВт (мощность тепловоза 2x2500 кВт).
Электровозы. Серии электровозов, как и тепловозов, состоят из буквенного и цифрового обозначения. Электровозам отечественного производства до 1991 г. традиционно присваивалось обозначение ВЛ («Владимир Ленин»).
До 1941 г. цифры, стоявшие в серии рядом с буквами, обозначали только нагрузку от колесной пары на рельсы в тоннах (например, ВЛ19, ВЛ22).
С развитием электрической тяги на переменном токе (с 1956 г. по 1991 г.) цифры серии электрических локомотивов стали обозначать номер серии, род потребляемого тока и число осей электровоза. А именно: от 1 до 18 — восьмиосные постоянного тока (например, ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11); от 19 до 39 — шестиосные постоянного тока (ВЛ 19, ВЛ22, ВЛ23); от40 до 59 — четырехосные переменного тока; от 60 до 79 — шестиосные переменного тока (ВЛ60); свыше 80 — восьмиосные переменного тока (ВЛ80, ВЛ85, ВЛ86).
Иногда к цифровому обозначению серии электровоза добавляли буквенную индексацию: ВЛ80А — с асинхронными тяговыми электродвигателями, ВЛ80в — с вентильными тяговыми электродвигателями, ВЛ60К — с кремниевыми выпрямителями, ВЛ22М — модернизированный, ВЛ60П — пассажирский, ВЛ80Р — с рекуперацией электрической энергии, ВЛ80С — работает по системе многих единиц (многосекционный), ВЛ80Т — с реостатным торможением.
На железнодорожных участках, где стыкуются системы переменного и постоянного токов, эксплуатировались электровозы двойного питания (ВЛ61Д, ВЛ82, ВЛ82М), способные работать на постоянном (3 кВ) и на переменном токе (25 кВ).
Кроме того, на железных дорогах нашей страны с 1957 г. эксплуатировались, а некоторые и сейчас эксплуатируются, пассажирские электровозы чехословацкого производства, серия которых состоит из букв ЧС и цифр: ЧС1, ЧС2, ЧС2Т и ЧСЗ — шестиосные постоянного тока; ЧС4 и ЧС4Т — шестиосные переменного тока; ЧС6, ЧС7 и ЧС200 — восьмиосные двухсекционные постоянного тока; ЧС8 — восьмиосные двухсекционные переменного тока.
Проекты и опытные образцы новых российских электровозов с середины 90-х годов прошлого века стали обозначать по принципу, похожему на обозначение серий тепловозов: начинают с буквы Э — электровоз, дополняя ее буквой П для пассажирских электровозов, и далее цифровой частью, где для обычных электровозов добавляют одну цифру (например, Э2, ЭП1 и ЭПЗ), для электровозов двойного питания — две цифры (например, ЭП10, ЭП20), для скоростных электровозов — три (например, ЭП100 и ЭП200). В обозначениях серий современных грузовых электровозов, работающих по системе многих единиц, т.е. многосекционных, дополняют буквенное обозначение — букву С — секционный электровоз, например, 4ЭС5К, ЗЭС5К и 2ЭС4К (К — коллекторные ТЭД). Отдельные перспективные серии электровозов, по аналогии с тепловозами, имеют имя собственное (например, электровозы 2ЭС5К «Ермак», 2ЭС4К «Дончак», 2ЭС5 «Скиф», ЭП20 «Олимп»).
Осевая формула. Осевая формула является одной из важнейших характеристик любого локомотива. Она характеризует число, расположение и назначение колесных пар (осей) локомотива.
Для локомотивов нетележечного типа (паровозы и ряд серий тепловозов), т.е. когда все оси локомотива объединены жесткой рамой, в осевой формуле последовательно перечислено число осей бегунковых, ведущих (сцепных) и поддерживающих. Например, осевая формула паровозов серий ФД (рис. 3) имеет вид 1—5—1. Для тепловозов нетележечного типа, когда все ведущие колесные пары расположены в одной общей раме, осевые формулы составляют как для паровозов, например, 2—50—1 (серийные тепловозы Ээл Коломенского завода довоенной постройки, рис. 4,г) или 0—3—0 (промышленный тепловоз ТГМ23В с групповым приводом колесных пар, рис. 4,д).
Для локомотивов тележечного типа (тепловозы, электровозы и газотурбовозы) осевая формула представляет собой сочетание цифр, число которых соответствует числу тележек, а каждая цифра показывает число осей в тележке, Например, шестиосный пассажирский тепловоз ТЭП70БС (см. рис. 4,а) имеет осевую формулу 30—30, которая показывает, что у тепловоза две трехосные тележки.
Знак «—» (тире) означает, что тележки не соединены между собой (не сочлененные), а индекс «0» у цифр показывает, что каждая ось имеет индивидуальный (отдельный) привод от тягового электродвигателя. Для шестиосных электровозов старой постройки с сочлененными тележками (например, ВЛ22) осевая формула имеет вид 30+30. Знак «+» (плюс) означает, что тележки соединены между собой, в каждой тележке три оси с индивидуальным (электрическим) приводом колесных пар. Соответственно, для 8-осных локомотивов, у которых четырехосные тележки образованы путем объединения двухосных (например, осевая формула тепловозов ТЭМ7, ТЭМ14, ТЭ8 и ТЭП80 выглядит так: 20+20—20+20 (рис. 4,в).
B осевых формулах двух- и многосекционных локомотивов число секций указывается отдельной цифрой. Например, для четырехсекционного грузового тепловоза для БАМа серии 4ТЭ10С осевая формула выглядит так: 4(30—30), а двухсекционного газо-турбовоза mh-002: 2(20+20—20+20).
За рубежом в осевых формулах локомотивов число ведущих осей в тележках обозначают не цифрой, а подразумеваемым порядковым номером буквы в латинском алфавите, которая ставится в формуле (А — одна ось, В — две, С — три). Следовательно, обозначение С0—С0 будет соответствовать рассмотренной выше характеристике 30—30 (во Франции принято буквы писать слитно: ВВ, СС). Наличие же бегунковых и поддерживающих осей обозначается также цифрами. Следовательно, обозначение 1—С—1 будет соответствовать формуле российского паровоза 1 —3—1.
В некоторых странах применяют колесные формулы, в которых цифры указывают число колес, а не осей, т.е. цифры удваиваются (например, 2—6—2).
Весовые характеристики. К весовым характеристикам локомотивов относятся:
□ конструкционный вес Р, кН;
□ служебный вес Рсл, кН;
□ сцепной вес Рк, кН;
□ осевая нагрузка 2П, кН.
Служебным весом электровоза Рсл называется полный вес локомотива в эксплуатационном состоянии, а именно: конструкционный вес Р с двумя третями запаса песка. Для тепловозов дополнительно в служебный вес входят две трети запаса топлива.
Служебный вес локомотива Рол, приходящийся на ведущие (сцепные) колесные пары и участвующий в создании силы тяги, называется сцепным весом Рк. Соответственно, для паровозов Рсл * Рк, а для тепловозов и электровозов Рсл = Рк.
Осевая нагрузка (или, точнее, нагрузка от колесных пар на рельсы) 2П характеризует статическое воздействие локомотива на железнодорожный путь. Чтобы определить величину 2П, надо служебный вес Рсл разделить на число всех осей локомотива.
Для магистральных локомотивов, эксплуатирующихся на железных дорогах нашей страны, наибольшие допустимые нагрузки на рельсы составляют 2Птах = 225 кН (23 тс). Для сравнения, поездные локомотивы и вагоны железных дорог США имеют наибольшие допустимые нагрузки на рельсы 2Птах = 294... 314 кН (30... 32 тс), что повышает эффективность их использования в перевозочном процессе.
Скорости движения. К основным характеристикам локомотива относят два основных значения величины скорости его движения:
□ расчетная скорость (минимальная скорость на расчетном подъеме) Vp. У современных локомотивов с электрическим приводом колесных пар величина этой скорости соответствует продолжительному или другому, ограниченному по времени, режиму работы его тяговых электродвигателей (по силе тока);
□ конструкционная скорость VK — максимально допустимая величина скорости локомотива по прочности его конструкции и безопасности эксплуатации.
Мощность локомотива. Принцип работы любого типа локомотива можно представить в виде энергетической цепи, состоящей из основных элементов (узлов локомотива).
Преобразование энергии из одного вида в другой в каждом элементе энергетической цепи локомотива всегда связано с потерями мощности. Возникает вопрос: если мощность основных узлов локомотива разная, то по какому узлу определять мощность самого локомотива?
Для ответа на поставленный вопрос перечислим те узлы локомотивов, по которым в нашей стране принято определять мощности тепловозов, электровозов, газотурбовозов:
• эффективная мощность на валу дизеля Ne, кВт;
• суммарная мощность часового режима работы тяговых электродвигателей электровоза ХРЧ, кВт;
• суммарная мощность продолжительного режима работы тяговых электродвигателей тепловоза и электровоза ZP„, кВт;
• касательная мощность на ободе колес ведущих осей локомотива NK, кВт;
• мощность на валу газотурбинного двигателя газотурбовоза Nn-д. кВт.
Мощности автономных локомотивов (тепловозов и газотурбовозов) в нашей стране принято определять по мощности силовых энергетических установок, т.е. когда говорят, что мощность тепловоза 2ТЭ70 составляет 6000 кВт, это означает, что на двух секциях этой серии тепловозов установлены дизели суммарной эффективной (на валу дизеля) мощностью 6000 кВт. Соответственно, мощность газотурбовоза определяется по мощности газотурбинных двигателей, т.е. по величине N .
Мощность электровоза, который является неавтономным локомотивом, определяют по суммарной мощности часового режима работы тяговых электродвигателей £РЧ.
Необходимо подчеркнуть, что мощность, которую любой тип локомотива реализует на совершение полезной работы (тягу поездов), меньше той мощности, которую мы называем мощностью локомотива. Если пренебречь затратами энергии на преодоление сопротивления движению самого локомотива, то под полезной мощностью, идущей на тягу поездов, можно понимать его касательную мощность NK. Именно касательная мощность характеризует тяговые возможности локомотива любого типа.
Применительно к тепловозу с электрической передачей, на котором можно выделить вышеперечисленные понятия мощности Ne, SP„, NK, всегда имеет место неравенство Ne>DPm>NK. Это неравенство можно записать в таком виде: NK = Ne(1 - Р)г|пер, где т]пер — КПД электрической передачи; р — доля затрат мощности на вспомогательные нужды тепловоза (Р » 0,06 — 0,14).
В некоторых странах (например, в США) под мощностью тепловоза принято понимать величину Ne(1 - Р).
Тяговая характеристика локомотива представляет собой зависимость силы тяги FK от скорости движения V и режимов работы его силовой энергетической установки. Тяговая характеристика локомотива представляется в виде графика зависимости: Fk = f (V).
Габарит подвижного состава. Габаритом называют предельное поперечное очертание (перпендикулярное оси железнодорожного пути), за пределы которого не должна выступать ни одна часть локомотива как нового, так и предельно изношенного.
Габарит — это постоянный параметр, как и ширина рельсовой колеи, которые изменять произвольно нельзя. В СССР для локомотивов стандартом были установлены габариты Т и 1Т, которые действуют и в России. Наиболее распространенный габарит 1Т на российских железных дорогах имеет наибольшую предельную ширину 3400 мм и высоту 5300 мм.
РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ВИДОВ ЛОКОМОТИВНОЙ ТЯГИ В МИРЕ
В настоящее время практически всю поездную работу на национальных железных дорогах стран мира выполняют два вида тяги: тепловозная и электрическая. Относительно небольшое количество паровозов по-прежнему используется на маневровой и вывозной работе в ряде стран Азии, Африки и Южной Америки. Очевидно, что электрическая тяга, являясь неавтономным видом тяги, может эксплуатироваться только на электрифицированных железных дорогах. Автономные локомотивы — тепловозы — могут использоваться для поездной работы на всей сети железных дорог страны.
Для железнодорожной сети страны протяженность оценивается обычно эксплуатационной длиной главных путей железных дорог (измеряется в тыс. км).
Эксплуатационная длина — это общая протяженность железнодорожных сообщений, в которую одинаково включаются как однопутные линии, так и линии, имеющие два-три пути (иногда более), так называемые многопутные линии.
В мире на начало XXI века общая суммарная эксплуатационная длина всех национальных сетей железных дорог насчитывала примерно 1,3 млн. км. В этой сумме обычно не учитываются подъездные пути и пути промышленных предприятий.
В табл. 2 приведена эксплуатационная длина главных путей сети железных дорог стран различных континентов, в том числе уровень их электрификации (протяженность и доля в процентах электрифицированных линий от общей эксплуатационной длины).
Необходимо отметить, что протяженности железнодорожных сообщений и уровень их электрификации постоянно меняются: в одних странах (в основном Азии, Африки и Латинской Америки) роль железнодорожного транспорта в перевозках растет, строятся новые линии, узкоколейные дороги перешиваются на более широкую колею.
Как известно, с ростом экономики той или иной страны растут объемы предоставляемых транспортных услуг (прежде всего перевозок), растут протяженности транспортных (в том числе железнодорожных) путей и парки транспортных средств (локомотивный парк). Яркий тому пример — национальные железные дороги таких азиатских стран, как Китай и Индия, протяженность и длина электрифицированных линий которых увеличиваются стремительными темпами.
В других странах, например, в США, Западной Европе, объемы перевозок по железным дорогам в конкуренции с автотранспортом снижаются, что приводит к закрытию малорентабельных линий и к сокращению эксплуатационной длины главных путей сети железных дорог. Например, эксплуатационная длина главных путей железных дорог США по сравнению с 1916 г., когда она достигла максимальной величины 415 тыс. км, значительно сократилась и к 2015 г. оценивается в 231,2 тыс. км, из которых 160,2 тыс. км относятся к дорогам 1-го класса, выполняющим более 90% всего грузооборота сети.
Из данных, представленных в табл. 2, следует, что наибольшее распространение электрические железные дороги получили в Европе (32%) и Азии (28%), в наименьшей степени электрифицированы железнодорожные линии Северной (0,6 %) и Южной (2,2 %) Америки. В среднем доля (в процентах) электрифицированных линий от общей эксплуатационной длины мировой сети составляет 18%, т.е. примерно одна шестая часть общей протяженности железных дорог мира.
Если рассмотреть уровень электрификации крупнейших железнодорожных систем мира, то картина будет выглядеть несколько иначе. К крупнейшим системам мира отнесены железные дороги стран, эксплуатационная длина которых превышает 20 тыс. км. Таких'стран в мире пятнадцать, а именно (расположим их по протяженности в порядке убывания): США, Россия, Китай, Индия,
Канада, Германия, Австралия, Аргентина, Франция, Бразилия, Мексика, ЮАР, Италия, Япония, Украина (табл. 3).
Общая протяженность этих 15 крупнейших железнодорожных систем составляет почти 830 тыс. км (т.е. 64% или 2/3 всей мировой сети национальных железных дорог). Из приведенных в табл. 3 данных видно, что по масштабам электрификации крупнейшие национальные системы делятся примерно натри группы.
Первую группу составляют железные дороги ЮАР Гзрмании, Китая, Японии, России и Франции, общая протяженность сети которых превышает 270 тыс. км (21 % мировой сети), и где в каждой стране электрифицированы от 50,5 до 62% общей протяженности магистральных железных дорог.
Вторая группа — железные дороги Украины, Италии и Индии, где электрифицированные железные дороги составляют от 32,7 до 44% от общей протяженности, которая равна 110 тыс. км (около 9% мировой сети).
Т ретья группа крупнейших железнодорожных систем мира — железные дороги Северной и Южной Америки (Канада, Мексика, США, Аргентина, Бразилия) общей протяженностью порядка 380 тыс. км (или 30% мировой сети), где электрические железные дороги используются очень ограниченно — от 0,3% по протяженности (Канада) до 2,8% (Бразилия).
Средний процент электрификации железных дорог по всем 15 крупнейшим железнодорожным системам составляет 23%. Уровень электрификации железных дорог России на фоне средних цифр может считаться более чем современным.
В.С. РУДНЕВ,
профессор МИИТа
