[02-2026] Общие принципы механики работы локомотивов

[Admin]

Общие принципы механики работы локомотивов

В.С. РУДНЕВ, канд. техн. наук, доцент,
Российский университет транспорта (МИИТ)
Продолжая цикл статей (начало см. «Локомотив» № 1,
2026 г.) об устройстве и принципе работы автономных локомотивов, конструкции их основных узлов, основы тяги поездов, в данной статье рассказано о важнейших характеристиках автономных 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 тот 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 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-изготовителя или страну-изготовителя. 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-изготовителем.
В СССР было 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 имени В.А. Малышева. Основные серии тепловозов этого завода имели обозначения (последовательно): ТЭ1, ТЭ2, ТЭ3, ТЭ7, ТЭ10, ТЭП10 и ТЭ40.
Номера серий от 50 по 99 были отведены тепловозам разработки Коломенского тепловозостроительного завода имени В.В. Куйбышева (это были пассажирские локомотивы ТГП50, ТЭП60, ТЭП70, ТЭП70БС, ТЭП75, ТЭП80).

Номера серий «100 и выше» входят в серии локомотивов, построенных Луганским (одно время Ворошиловградским) тепловозостроительным заводом (ныне — «Лугансктепловоз»). Вот примеры серий тепловозов этого завода: ТГ102, ТЭ114, ТЭ116, 2ТЭ121, ТЭ136.
Цифра перед буквенным обозначение серии показывала число секций многосекционного тепловоза.
Таким образом, обозначение 2ТЭ116 расшифровывается так: грузовой двухсекционный тепловоз с электрической передачей серии 116 Луганского завода; ТЭП70БС — 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, ТЭМ14), Брянский машиностроительный завод (ТЭМ2УМ, ТЭМ6, ТЭМ15, ТЭМ16, ТЭМ18ДМ, ТЭМ23), Муромский тепловозостроительный завод (ТГМ23В), Калужский машиностроительный завод (ТГК2М, ТГМ61), Камбарский машиностроительный завод (ТГМ40 и узкоколейные тепловозы ТУ7А, ТУ8, ТУ10).
В обозначении серий зарубежных тепловозов, всё еще работающих в России, была введена буква, указывающая на страну-изготовитель. Так, серии ЧМЭЗ и ВМЭ1, поставлявшиеся в советское время, означают маневровые тепловозы с электрической передачей, построенные, соответственно, в Чехии и Венгрии.
В настоящее время серийное производство новых российских магистральных локомотивов (в том числе тепловозов четвертого поколения) осуществляется на предприятиях АО «Трансмашхолдинг». Так, на Коломенском заводе этого холдинга идет серийный выпуск пассажирских тепловозов ТЭП70БС, а на Брянском заводе — грузовых тепловозов нового поколения 2ТЭ25КМ мощностью 2x2650 кВт и 3ТЭ28 мощностью 3x2850 кВт, опытных универсальных тепловозов ТЭ26 мощностью 2850 кВт, а также маневровых тепловозов ТЭМ18ДМ и ТЭМ23. Последняя серия маневрового тепловоза оборудована электрической передачей переменного тока с асинхронными тяговыми электродвигателями.

Таким образом, буквенное обозначение серий перспективных российских тепловозов четвертого поколения осталось без изменений, цифры же (число) обозначают только номер серии тепловозов.
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. 1), имеет вид 1-5-1. Для тепловозов нетележечного типа, когда все ведущие колесные пары расположены в одной общей раме, осевые формулы составляют как и для паровозов, например, 2—50—1 (серийные тепловозы Ээл Коломенского завода довоенной постройки, рис. 2,г) или 0-3-0 (промышленный тепловоз ТГМ23В с групповым приводом колесных пар, рис. 2,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. 2,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 4-осные тележки образованы путем объединения 2-осных (например, осевая формула тепловозов ТЭМ7А выглядит так: 20+20-20+20 (рис. 2,в).
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 тре
ти запаса топлива.
Служебный вес локомотива Рсл, 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 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 (2П)тах = 225 кН (23 тс). Для сравнения, поездные локомотивы и вагоны железных дорог США имеют наибольшие допустимые нагрузки на рельсы (2П)тах = 294 — 314 кН (30 — 32 тс), что повышает эффективность их использования в перевозочном процессе.
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 N6, кВт;
• ^ суммарная мощность часового режима работы тяговых электродвигателей электровоза £Рч, кВт;
• суммарная мощность продолжительного режима работы тяговых электродвигателей тепловоза и электровоза £Р». кВт;
• ^ касательная мощность на ободе колес ведущих осей локомотива Nk, кВт;
• ^ мощность на валу газотурбинного двигателя газотур-бовоза N , кВт.

Мощности автономных локомотивов (тепловозов и газо-турбовозов) 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 газотурбо-воза 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, £P^, Nk, всегда имеет место неравенство Ые > ^Р->. > Nk. Это неравенство можно записать в таком виде: Nk = Ne(1 — в)ппер, где Ппер — КПД электрической передачи; в — доля затрат мощности на вспомогательные нужды тепловоза (в ~ 0,06 — 0,14).
В некоторых странах (например, в США) под мощностью тепловоза принято понимать величину Ne(1 - в).
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 тысячах 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 1400 тыс. км. В этой сумме обычно не учитываются подъездные пути и пути промышленных предприятий.

В табл. 1 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 эксплуатационных 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 2025 г. оценивается в 220,0 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. 1, следует, что наибольшее распространение электрические железные дороги получили в Европе (32 %) и Азии (30 %), 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 19,6 %, т.е. примерно одна пятая 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, Китай, Россия, Индия, Канада, Германия, Франция, Австралия, Аргентина, ЮАР, Бразилия, Япония, Италия, Румыния, Украина (табл. 2).
Общая протяженность этих 15 крупнейших железнодорожных систем составляет почти 860 тыс. км (т.е. 62 %, или почти 2/3 всей мировой сети национальных железных дорог). Из приведенных в табл. 2 данных видно, что по масштабам электрификации крупнейшие национальные системы делятся примерно на три группы.
Первую группу составляют железные дороги ЮАР, Китая, Японии, России, общая протяженность сети которых составляет более 270 тыс. км (около 20 % мировой сети), и где в каждой стране электрифицированы от 50 до 80 % общей протяженности магистральных железных дорог.
Вторая группа — железные дороги Германии, Украины, Индии, Франции и Италии где электрифицированные железные дороги составляют от 37,2 до 46 % от общей протяженности, которая равна 190 тыс. км (около 14 % мировой сети).

Третья группа крупнейших железнодорожных систем мира — железные дороги Северной и Южной Америки (Канада, США, Аргентина, Бразилия), а также Австралии общей протяженностью порядка 400 тыс. км (или около 30 % мировой сети), где электрические железные дороги используются очень ограниченно — от 0,4 % по протяженности (Канада) до 4,3 % (Бразилия).
Средний процент электрификации железных дорог по всем 15 крупнейшим железнодорожным системам составляет 33 %. Уровень электрификации железных дорог России на фоне средних цифр стран мира вполне может считаться высоким. Следует также учитывать начало строительства в России новых высокоскоростных железных дорог, на которых смогут эксплуатироваться только высокоскоростные поезда на электрической тяге.