poster333

Первые электровозы

К 100-летию первого магистрального электрического локомотива

Электричество для транспортных целей впервые применил российский профессор Б. С. Якоби Небольшой катер, оборудованный электродвигателем его конструкции, 13 сентября 1838 г. проплыл с двенадцатью пассажирами по Неве в Петербурге Воодушевленные этим экспериментом, ученые и изобретатели разных стран стали разрабатывать конструкции электродвигателей и пытаться применить их для целей тяги.

К числу таких работ относится электродвигатель голландцев Беккера и Стратинга, модель которого они пытались использовать для приведения в движение повозки. Американец Т. Дэвенпорт, а затем и англичанин У. Кларк построили модели «электромагнитных локомотивов» весом до 30 кг. Обе модели демонстрировались на международных выставках, но были нс более, чем игрушками.

Первую попытку применить в большом масштабе электрическую тягу на железнодорожном транспорте де-1 ласт англичанин Р. Дэвидсон. В сентябре 1842 г. на I линии Глазго - Эдинбург прошли испытания созданного им «электромагнитного локомотива-повозки», по существу электровоза с автономным питанием. Двухосный локомотив длиной около 5 м и шириной 2 м весил вместе с питающими гальваническими батареями 6 т При испытаниях он передвигался со скоростью около 4 миль в час.

На каждой из двух осей локомотива (рис. 1) были смонтированы деревянные цилиндры с закрепленными на них через 120° железными полосами. С каждой стороны цилиндров располагались электромагниты. Их обмотки питались от четырех батарей, состоявших из 40 железных и цинковых пластин, погруженных в разбавленную серную кислоту Батареи размешались в деревянных ящиках на краях кузова локомотива.

С помощью специальных коммутаторов в виде небольших деревянных цилиндров с расположенными на них медными сегментами достигались включение и отключение тока в обмотках электромагнитов. При протекании тока по их обмоткам обеспечивалось притяжение соответствующих железных полос, вращательное движение цилиндров и осей электровоза.

В ходе первых испытаний притяжение железных полос с электромагнитами было настолько сильным, что они смешались относительно мест их фиксации на цилиндрах. Пришлось закрепить полосы прочнее, увеличить зазор между ними и концами электромагнитов, что привело к значительной потере мощности.

Испытания первого электровоза закончились печально. Он был разбит разъяренной толпой, очевидно, последователей луддитов — «разрушителей машин».

1851 г. американец Ч. Пэдж построил локомотив и провел его испытания на участке железной дороги I между Вашингтоном и Бладенсбургом. Локомотив был оборудован электродвигателем его конструкции, работающим на принципе возвратно-поступательного движения, т е. он был электромагнитным аналогом паровой машины.

Функции паровых цилиндров выполняли две катушки (макет их изображен на рис 2), оба сердечника которых с помощью шатунного механизма были механически соединены с колесами локомотива. Специальный прерыватель обеспечивал изменение направления тока в катушках и возвратно-поступательное перемещение их сердечников. При испытаниях локомотив с гальванической батареей из 100 элементов достигал скорости 30 км/ч.

Однако эта и последующие попытки изобретателей 60-х годов прошлого века не дали желаемых результатов. Все эти установки не выдерживали конкуренции с паровой машиной из-за дороговизны гальванических батарей, их значительного веса и больших эксплуатационных расходов.

После создания в 1871 г. З.Т. Граммом в Париже динамомашины — достаточно мощного по тем временам источника электрической энергии, выгодно отличающегося от гальванических батарей, — открылись новые возможности применения электродвигателей для тяги.

1879 г. фирма «Сименс и Гальске» на выставке в Берлине построила первую в мире электрическую железную дорогу длиной 300 м Небольшой электрический локомотив мощностью 3 л.с. (рис. 3), на котором сверху восседал машинист, вез три вагончика с 18 пассажирами — посетителями выставки.

На локомотиве был установлен электродвигатель постоянного тока. Он получал питание от третьего (контактного) рельса при напряжении 150 В Локомотив развивал скорость 12 км/ч

За период работы выставки было перевезено 86 тыс. пассажиров. Впоследствии, в 1882 г. этот же поезд был показан на Всероссийской промышленной выставке в Москве и пользовался большим успехом у посетителей.

Дальнейшее развитие электрической тяги шло, в основном, по пути создания электрических моторных вагонов — трамваев. Первые трамваи прошли испытания в 1880 г. в Петербурге (разработан военным инженером Ф А. Пироиким) и в Берлине (создан фирмой «Сименс и Гальске»).

В начале 80-х годов XIX века, благодаря фирме «Сименс и Гальске», Германия становится мировым лидером в области электрического транспорта. Наряду со строительством городских электрических дорог в Германии, она строит трамвайные линии в других странах.

В 1881 г фирма пустила в эксплуатацию трамвайную линию в Париже, где был впервые применен токосъем с трубчатого контактного провода с прорезью В 1882 г. для трамвайной линии в Германии была использована двухпроводная контактная сеть из медных проводов. Токосъем осуществлялся при помощи тележки, катящейся по проводам. В том же году фирмой был создан и испытан первый троллейбус и пущена одна из первых подземных линий на шахте в Силезии, где вагонетки перевозил небольшой рудничный электровоз.

В середине 80-х годов началось бурное развитие электрических железных дорог в США и Канаде. Американцы Ван дер Поэль и Ф. Спрэг предложили ряд существенных усовершенствований системы электрической тяги. Первый в 1885 г. стал использовать ходовые рельсы в качестве обратного провода и впервые разместил воздушный контактный провод на трамвайной линии в Торонто над осью пути.

Второй усовершенствовал токосъемное устройство, придав штанге токоприемника наклон, как у современных троллейбусов, а также применил тяговый двигатель с опорно-осевым подвешиванием и зубчатой передачей (последнее впервые было применено еще в 1880 г. Ф А. Пироцким в его первом трамвае) Кроме того, Ф. Спрэг значительно модернизировал конструкцию тяговых двигателей и систему регулирования их скорости. Ряд новшеств внес и американский изобретатель Д. Вес-тингауз.

Благодаря этим и другим усовершенствованиям США по протяженности электрических железных дорог выходят в начале 90-х годов на первое место в мире и именно в этой стране делается первая успешная попытка вывода электрической тяги на магистральную линию.

В августе 1895 г на электрифицированном участке дороги Балтимор — Огайо было открыто регулярное движение поездов, ведомых первым в мире магистральным электровозом. С этого момента электрическая тяга, применявшаяся до сих пор только в городских условиях, выходит на магистральные железные дороги и начинает успешно конкурировать с паровой.

Фирма «Дженерал Электрик» предложила в 1893 г электрифицировать тоннельные участки дорога, так как в длинном тоннеле (2,3 км) под Балтимором пассажиры поездов буквально задыхались от скоплений газов и дыма. По условиям контракта фирма «Дженерал Электрик» должна была сконструировать электровоз, способный вести на подъеме крутизной 0,008 товарный поезд весом 1200 т со скоростью 25 км/ч и пассажирский — весом 500 т со скоростью 50 км/ч

Такой мощный электровоз и был разработан сотрудниками фирмы (рис 4) Четырехосный локомотив имел следующие габариты длина — 12 м, высота — 4,33 м, ширина — 2,89 м, а его полный вес равнялся 90 т Корпус электровоза располагался на двух тележках, шарнирно соединенных друг с другом.

Четыре шестиполюсных тяговых двигателя мощностью по 360 л.с. имели осевое подвешивание Электрически двигатели каждой тележки соединялись между собой последовательно, что при напряжении питания контактной сети, равном 600 — 700 В, обеспечивало напряжение на двигателе 300 — 350 В Обе группы по два двигателя соединялись параллельно.

Электровоз был оборудован контроллером и контрольно-измерительными приборами. Для гашения дуги, возникавшей на контактах силовых коммутирующих аппаратов, применялось магнитное дутье.При испытаниях электровоз превзошел заданные скоростные параметры. Пусковые токи достигали 1500 А и более

Воздушный контактный провод был выполнен в виде двух железных уголков, прикрепленных к железным поперечным балкам Балки с помощью изоляторов подвешивались к сводам тоннеля, а на открытых участках — к П образным металлическим опорам.

В прорези, образованной снизу между железными уголка-ми, перемещался бугельный токоприемник электровоза, на конце которого находился «контактный ползун» (впоследствии ро лик). Питание контактной сети осуществлялось от расположенной рядом с тоннелем электростанции, где было установлено пять генераторов постоянного тока мощностью по 500 кВт.

Успешная работа электровозов на линии Балтимор — Огайо привела к их применению для товарного и пассажирского движения и на других дорогах США Так, на ветке линии Буффало — Ниагара в сторону Локпорта длиной 21 км фирма «Дженерал Электрик» применила более легкие (весом 36 т) усовершенствованные локомотивы с четырьмя тяговыми двигателями общей мощностью 640 л.с. (рис 5).

Бугельные токоприемники электровозов оканчивались роликом, перемешавшимся по медному воздушному контактному проводу сечением 107 мм2. Контактный провод имел почти современную форму с прорезями по бокам, что позволяло крепить его с помощью струн к несущему тросу. Это было значительным шагом вперед по сравнению с контактной сетью участка Балтимор — Огайо.

Электрическая железная дорога Буффало — Ниагара была одной из самых совершенных для своего времени Энергия подавалась от электростанции на Ниагарском водопаде по трехфазной воздушной линии напряжением 10,5 кВ на подстанцию в Буффало, где напряжение понижалось до 350 В, а затем с помощью машинных преобразователей превращалось в напряжение 550 В постоянного тока. Последнее медными кабелями подавалось в контактные провода.

На равнинных участках линии электровозы с товарными поездами развивали скорость 38 км/ч, а на подъеме 0,010 она снижалась до 24 км/ч.

Ша рубеже XIX — XX веков электрическая тяга, наряду с признанными лидерами — США и Германией — получает быстрое развитие в Швейцарии Франции Англии, Италии и других европейских странах.

Так, в Швейцарии в 1896 г. фирма «Браун-Бовери» впервые использовала трехфазный переменный ток для электрической тяги. Созданные ею трехфазные асинхронные двигатели приводили в движение вагоны трамвая в г. Лугано и его пригородах. Переменный ток частотой 40 Гц передавался по трехфазной высоковольтной линии от электростанции, работавшей на энергии горного водопада, к питавшей контактную сеть трансформаторной подстанции.

Здесь напряжение понижалось до 400 В и подавалось в двухпроводную воздушную контактную сеть. Роль третьего провода играли рельсы. Токосъем обеспечивали два троллея, расположенные на вагоне

Двумя годами позже фирма «Браун-Бовсри» построила аналогичную электрическую железную дорогу длиной 9,6 км от горного селения Церматт (1600 м над уровнем моря) до вершины горы Горнеграт (3100 м), в основном, для обслуживания многочисленных туристов.

Дорога с шириной колеи I м, наибольшим подъемом 0,200 и минимальным радиусом кривых 80 м была уникальной. Посредине между рельсами были уложены и надежно закреплены на 5 см выше уровня рельсов две продольные зубчатые полосы Движение поездов осуществлялось 11-тонными электровозами. К каждой из двух осей локомотива был прикреплен трехфазный асинхронный двигатель мощностью 90 л.с Двигатели вращали с помощью зубчатой передачи зубчатые колеса с двойными рядами зубцов, которые зацеплялись с обеими полосами пути, что и обеспечивало движение электровоза со средней скоростью 7 км/ч. Кроме регулировочных реостатов, на локомотиве были установлены реверсивное коммутирующее устройство, измерительные приборы, молниеотвод и надежная система тормозов.

Токосъем с двух воздушных контактных проводов осуществлялся не с помощью троллеев, как у трамвая, а специальными контактными рамами, отдаленно напоминавшими современные токоприемники.

Электроснабжение дороги производилось от электростанции, работавшей на энергии горной реки. Трехфазный ток по линии высокого напряжения 3,5 кВ подавался на две трансформаторные подстанции, где напряжение понижалось до 350 В и питало контактную сеть.

На линии была применена рекуперация. Электровозы, идущие по спуску, отдавали энергию поднимающимся в гору, а в их отсутствии избыточная энергия гасилась в реостатах на электростанции.

Обь чно электровоз вел два вагона. Один из них — закрытый, весом 5,2 т, рассчитанный на 60 пассажиров, другой — открытый, весом 4 т, на 50 человек. Успешная эксплуатация дороги показала широкие возможности электрической тяги, ее высокую эффективность и экономичность на участках с тяжелым профилем и в районах богатых гидроэнергоресурсами.

Несколько позже фирма «Браун-Бовери» электрифицировала на трехфазном переменном токе участок Юр з -Симплонской железной дороги, проходящей через Симплонский тоннель. Созданный фирмой магистральный 4-осный электровоз (рис. 6) имел два трехфазных тяговых двигателя, располагавшихся между двумя средними осями. Локомотив весом 68 т с тяговой силой 12 тс успешно водил на этом участке пассажирские и товарные поезда.

Италии и Германии получила распространение электрификация на трехфазном переменном токе пониженной частоты для движения моторных вагонов. Однако громоздкость контактной подвески и токоприемников, трудность обеспечения надежной работы контактной сети (особенно на воздушных стрелках, представлявших собой изолированные пересечения контактных проводов различных фаз) и другие факторы, сделали систему трехфазного тока бесперспективной.

Данные обстоятельства заставили ученых и изобретателей различных стран обратиться к электрификации на однофазном переменном токе Внедрение этой наиболее простой системы элекроснабжения затруднялось из-за отсутствия однофазного двигателя, пригодного для целей тяги, что вызывало необходимость установки на электровозах преобразователей однофазного переменного тока в трехфазный или постоянный.

Последняя система была испытана на участке Лембергской железной дороги в Швейцарии, электрифицированном на однофазном переменном токе частотой 50 Гц и напряжении 15 кВ в контактном проводе Электровоз переменного тока для этой дороги, построенный фирмой «Эрликон» (рис. 7), был оборудован однофазным трансформатором 1500/750 В, питавшим асинхронный двигатель Он приводил в действие генератор постоянного тока, дававший электроэнергию двум тяговым двигателям.

Электровоз состоял из двух симметричных частей оборудованных системами управления. Кузов каждой части опирался на двухосную тележку. Одна из осей приводилась в движение Тяговым двигателем. Тележки были шарнирно связаны друг с другом. При общем весе локомотива 93 т он развивал силу тяги 13 тс.

Громоздкость электровоза и большие потери энергии при ее преобразовании заставили фирму «Эрликон» заняться разработкой тягового двигателя однофазного переменного тока Вскоре вариант локомотива с таким двигателем был создан. Контактный провод, расположенный сбоку от пути, питался от специальной генераторной подстанции переменным током частотой 15 Гц и напряжением 15 кВ

Токосъем осуществлялся с помощью специально разработанного устройства в виде изогнутого металлического прута с пневматическим успокоителем Для защиты от перенапряжений электровоз был оборудован тремя разрядниками.

Понижающий однофазный трансформатор 1500/750 В имел мощность 200 кВ А и обеспечивал питание двух тяговых двигателей однофазного переменного тока мощностью 200 л с. Общий вес локомотива составлял 44 т, а ведомый им поезд весом 200 т развивал на подъемах скорость 40 км/ч.

Однако эти и последующие разработки электровозов с подобными двигателями при испытаниях и эксплуатации показа-
ли меньшую надежность и ухудшенные характеристики по сравнению с локомотивами, оборудованными тяговыми двигателя ми постоянного тока. Электрификация на однофазном переменном токе получила широкое распространение только после освоения производства статических преобразователей (вначале ртутных, а затем полупроводниковых).

В конце XIX века на французских железных дорогах были сделаны попытки внедрения электровозов с автономным питанием. Один из них — локомотив Гельмана испытывался в 1894 г. на участке Париж — Мант и достигал скорости 108 км/ч при весе поезда 250 т.

Электровоз (впрочем, электровозом его можно назвать условно) представлял собой платформу с помещенными на ней паровой машиной и генератором и окруженную кузовом обтекаемой формы На восьми осях этой платформы были размещены тяговые двигатели общей мощностью 300 кВт.

Русские инженеры А. И. Одинцов и Н.Г Кузнецов предложили свой проект электровоза с заменой паровой машины дизельным двигателем, но он не был реализован.

Позже, в 1899 г на дороге французской компании «Париж — Лион — Средиземное море был испытан электровоз с питанием от аккумуляторов Общее число аккумуляторов составляло 210 штук, 18 из них располагалось непосредственно на локомотиве, а 192 — в специальном фургоне. Общий вес электровоза с фургоном составлял 78 т.

Два электродвигателя общей мощностью 600 л.с позволяли локомотиву с поездом весом 147 т развивать скорость 60 км/ч. Электровозы и моторвагонный подвижной состав с питанием от аккумуляторов распространения не получили из-за громоздкости, значительного веса батарей и сложности их эксплуатации

Таким образом, первые электрические локомотивы, созданные изобретателями различных стран мира, были далеки от совершенства. Однако они проложили путь электрической тяге и сделали ее ведущим видом тяги на железных дорогах.

Канд. техн наук Г. С. КАСАТКИН,
доцент МГУПСа (МИИТа)

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin