Admin

Общие принципи механики работы локомотивов

В.С. РУДНЕВ, канд. техн, наук, доцент, Российский университет транспорта (

МИИТ

)

Редакция возобновляет публикацию серии статей под рубрикой «Школа молодого машиниста» (прошлые публикации см. «Локомотив» № 8 — 12 за 2015 г., 1 — 12 за 2016 г. и 1 — 12 за 2017 г.), где будут приведены начальные сведения, разъясняющие устройство и принципы работы автономных локомотивов, конструкции их основных узлов, основы тяги поездов. К сожалению, практика последних лет показывает крайне низкий уровень школьной подготовки учащихся, поступающих в железнодорожные учебные заведения. Помимо курсантов, данные публикации могут быть полезны преподавателям железнодорожных учебных заведений и начинающим машинистам локомотивов и их помощникам.

Мы часто говорим, что локомотив ведет поезд. Мощные локомотивы — тепловозы и электровозы — ведут по железным дорогам поезда. Но что именно с физической точки зрения вызывает движение состава? Почему один и тот же поезд в одних условиях движется быстро, а в других значительно медленнее? Какие параметры и характеристики локомотива определяют характер движения поезда?
Чтобы ответить на эти вопросы, надо вспомнить раздел механики из школьного курса физики, из которого следует, что причиной движения материальных тел на поверхности земли является приложенная к ним внешняя сила.
Создание силы тяги на локомотивах. Механическая работа, которую совершает сила тяги при движении поезда, является одной из форм энергии. В соответствии с одним из основных физических законов - законом сохранения энергии — энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую. Поэтому, чтобы совершить работу движения поезда, локомотив должен преобразовать в нее какое-то количество энергии другого вида, например, внутреннюю химическую энергию топлива. Такое преобразование на тепловозе происходит в двигателе внутреннего сгорания, на паровозе — в топке и т.д.

Чтобы вызвать движение, сила должна быть приложена к телу, т.е. должна быть внешней по отношению к телу. Сила, создаваемая двигателем внутреннего сгорания вследствие давления газов в цилиндрах на поршни,— это сила внутренняя. Она не может вызвать движение поезда, как не могут
привести к поступательному движению «шаги» человека, висящего на гимнастической перекладине.
Внешняя движущая сила создается локомотивом во взаимодействии с рельсами (рис. 1). В результате преобразования электрической энергии в механическую работу тяговый электродвигатель через зубчатую передачу редуктора сообщает оси колесной пары вращающий момент М. Если пренебречь потерями на трение в моторно-осевых и буксовых подшипниках, можно посчитать, что вся величина этого момента используется для вращения колесной пары с частотой nk (об/мин).
Момент в соответствии с правилами физики можно представить в виде пары сил F1 и Fv действующих на плече, равном радиусу колеса R (F1 = F1 = М/R). Эта пара сил сама по себе является внутренней по отношению к локомотиву и, следовательно, сама по себе не может вызвать его движения.
В этом нетрудно убедиться, если представить локомотив поднятым над рельсами (например, на домкратах). Его двигатели могут работать, колесные пары вращаться под действием момента М, но поступательного движения не будет — локомотив в этом случае не имеет точки опоры. Так же и человек, когда теряет эту опору, оказавшись, например, на скользком льду, может перемещаться лишь с большим трудом и медленно.

Однако когда локомотив не поднят и находится на рельсах, вращение его колесных пар приводит к поступательному движению. Значит, есть сила, преодолевающая сопротивление движению, т.е. трение.
Что же это за сила? Самое удивительное в том, что по природе своей это тоже сила трения. Когда колесо прижато к рельсу силой тяжести П, действие силы F1 на рельс в точке касания колеса О при отсутствии его проскальзывания (т.е. при достаточном трении) приводит к появлению равной по величине реакции FK, действующей от рельса на колесо в направлении его поступательного движения. Сила FK - пассивная, она появляется только тогда, когда колесо упирается в рельс под действием приложенного к нему момента М. Тем не менее именно эта сила и является причиной движения, т.е. внешней движущей силой.

Силу сопротивления проскальзыванию колеса относительно рельса называют силой сцепления. Физическая
природа процесса сцепления колес локомотива с рельсами представляется очень сложной и во многом неясной до настоящего времени. Дело в том, что движение колеса локомотива по рельсу связано одновременно с трением качения и трением скольжения, в том числе и упругого (крипа). На величину силы сцепления колес с рельсами оказывают существенное влияние скорость движения локомотива, состояние колес и рельсов, а также степень их износа, атмосферные условия (снег, дождь и т.д.), конструкция экипажной части, вес локомотива и целый ряд других случайных факторов.
В первом приближении силу сцепления Есц определяют как силу трения, т.е. Есц = ФР. Здесь коэффициент пропорциональности Ф по аналогии с формулой для определения силы трения можно назвать коэффициентом сцепления. Сила тяги FK (см. рис. 1) не может быть больше предела, устанавливаемого условиями сцепления (FK < Есц). В этом, как говорят, состоит ограничение силы тяги по сцеплению. Объясним это ограничение на примере: шестиосный локомотив весом 1200 кН (массой 120 т) при идеальных условиях реализации максимального расчетного значения коэффициента сцепления Фтах = 0,33 сможет создать силу тяги 40 кН независимо от его мощности, т.е. даже в этом случае сила тяги может быть равной лишь трети веса локомотива Fkmax = Р/3.

Следует подчеркнуть, что вышеприведенное объяснение принципов создания силы тяги при взаимодействии колес с рельсами справедливо для всех типов локомотивов, эксплуатируемых на железных дорогах стран мира: паровозов, газотурбовозов, тепловозов и электровозов. Особо отметим, что в настоящее время тепловоз на железных дорогах стран мира является самым распространенным типом локомотива.

ТЕПЛОВОЗ - СОВРЕМЕННЫЙ ТИП АВТОНОМНОГО ЛОКОМОТИВА

Тепловозом называется локомотив, на котором в качестве первичной энергетической установки используется наиболее экономичный тип двигателя внутреннего сгорания - дизель, КПД которого достигает 45 %.
Название «тепловоз» сложилось в России по типу названия паровоза. На других языках тепловоз обычно называют «дизельным локомотивом» -diesel locomotive (анг.), Diesellokomotive (нем.), locomotive Diesel (франц.), lokomotora diesel (испанский) и т.п.
К тепловозам, как к типу локомотивов, относят также специализированные виды автономного пассажирского моторвагонного подвижного состава, энергетическими установками которых являются дизели - рельсовые автобусы, моторные и прицепные вагоны дизель-поездов, автомотрисы.
Как уже отмечалось, тепловоз на сегодня - самый распространенный в мире тип локомотива. Из примерно 1 млн 400 тыс. км магистральных же
лезных дорог стран мира около 81 % их протяженности обслуживаются исключительно тепловозной тягой (тепловозами). На двух американских континентах (Северная и Южная Америки) тепловозы обслуживают порядка 97 % эксплуатационной длины магистральных железных дорог.


Общие принципы работы тепловоза. Принцип работы тепловоза может быть ясен из схем его общего устройства и принципа работы (рис. 2). На тепловозе используется жидкое дизельное топливо, которое получают путем перегонки нефти. Запасы топлива на тепловозе находятся в топливном баке, из которого оно топливными насосами подается в дизель 1 (см. рис. 2,а). В цилиндрах дизеля 1 топливо сгорает, в результате чего его внутренняя химическая энергия (ВХЭ) преобразуется в тепловую энергию газообразных продуктов сгорания. Последняя при помощи поршня и кривошипно-шатунного механизма преобразуется в механическую работу (МЭ) — вращение коленчатого вала дизеля.
По ряду причин коленчатый вал дизеля нельзя соединить непосредственно с колесными парами, поэтому между ними обязательно устанавливается тяговая передача 2 (см. рис. 2,6), которая может состоять из тягового генератора 2А и тяговых электродвигателей 2Б. В последних электрическая энергия (ЭЭ), вырабатываемая генератором 2А, преобразуется вновь в механическую (Мк), а затем на колесных парах реализуется в работу силы тяги FK. Таким образом, тяговая передача
2 преобразует вращающий момент Ме (на валу дизеля), который по условию постоянства мощности дизеля должен быть неизменным при постоянном положении рукоятки контроллера машиниста, в переменный момент Мк на колесных парах тепловоза.
Тепловоз пока самый эффективный тип локомотива с точки зрения процессов преобразования и передачи энергии, его максимальное значение КПД составляет 27 - 32 %. Он автономен, пробег его без набора топлива, песка и т.д. составляет более 10ОО км, легко осуществить автоматизацию систем управления, контроля и диагностики узлов при эксплуатации тепловоза.
Тепловозы могут эксплуатироваться практически в любых климатических условиях, с разнообразным рельефом местности по всем железнодорожным линиям, в том числе по дорогам промышленного назначения. Эксплуатация тепловозов не требует сооружения дорогостоящих устройств электроснабжения железных дорог (контактная сеть, тяговые подстанции и т.п.).
Основным недостатком тепловозов является более сложная конструкция, чем у электровозов и, соответственно, меньшая надежность в работе и сложность в обслуживании.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛОКОМОТИВОВ

В первую очередь локомотивы разделяют по виду выполняемой работы (роду службы), для которой они предназначены, а именно, выделяют слэ-дующие группы (парки) локомотивов; поездные (пассажирские и грузовые), универсальные, маневровые и промышленные.
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 (6 -8 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 большее число ведущих колесных пар и значительные мощности, что обычно достигается увеличением числа секций. Максимальная (конструкционная) скорость их движения 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 (много секций), зато заметную роль при этом играет диаметр D его ведущих колесных пар, от которого зависит скорость поступательного движения.
При увеличении величины D 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 железных дорог - моторвагонных электропоездов и рельсовых автобусов, а также дизель-по-ездов.
Универсальные локомотивы (обычно грузопассажирские) используются на железных дорогах страны с малой интенсивностью движения. При малых размерах движения экономически целесообразно применять одни и те же локомотивы в грузовом и пассажирском движении, а также на маневровой работе. Универсальные локомотивы обычно односекционные и имеют заметно меньшую мощность по сравнению с грузовыми и пассажирскими локомотивами.
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.

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 не-электрифицированных путях, высокая готовность к работе вообще и к её 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) перевозки, например, при разливке стали в мартеновских цехах металлургических заводов и межцеховые, а также вывозную работу, как правило, без выхода на железнодорожные пути общего пользования. Промышленные локомотивы являются собственностью предприятий. Они имеют, в основном, три-четыре ведущие колесные пары и меньшую мощность силовой установки по сравнению даже с маневровыми тепловозами.


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^/2 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 8V2 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, Сахалинская железная дорога (Россия, ныне перешита на стандартную колею 1520 мм);
• 1000 мм - метровая колея — Аргентина, Бразилия, Чили, Вьетнам, Таиланд и другие страны Азии;
• 750 и 760 мм - узкая колея - многие страны мира.

В таблице приведены данные о распространенности в мире различных размеров рельсовой колеи. Из данных таблицы следует, что почти на 3/4 мировой сети железных дорог приняты два размера: 1435 мм (европейская колея) и 1520 мм (русская колея).

Почему же в разных странах мира «нормальной» принимают разную ширину железных дорог: 1000, 1067, 1435, 1520, 1600, 1668, 1676 мм? Дело в том, что 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 SVj 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 8V2 дюймов (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 стефен-соновская, 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.


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 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 поверхности за норму была принята «капская» ширина колеи 1067 мм (3 фута и 6 дюймов), в Португалии и Испании — 1668 мм (5 футов и 51/2 дюймов), 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 этих 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 и некоторых азиатских странах (Германия, Китай, Франция, Австрия, Япония и др.).

Локомотивы также различают по типу кузова: вагонного и капотного.
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. 3,а), по которым можно пройти из секции в секцию.
Важной характеристикой локомотива является также число секций. Различают односекционные, двухсекционные и многосекционные локомотивы.

Одно-, двух-, и многосекционные поездные локомотивы имеют разное число кабин машиниста КМ у головных секций (рис. 4). 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. В последние годы строительство новых многосекционных грузовых тепловозов ограничено тремя секциями (например, тепловоз ЗТЭ28 мощностью 8550 кВт).

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК