Общие сведения о тяговом подвижном составе

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О  ТЯГОВОМ ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ

Сравнение различных  видов тяги 

Движение поездов  на железнодорожном транспорте осуществляется с помощью тягового подвижного состава. К нему относятся локомотивы и  моторвагонный подвижной состав.

До середины 1950-х  гг. основным средством тяги на железных дорогах нашей страны оставался  паровоз, в котором в качестве силовой установки используются паровые котел и машина. При  сжигании в топке паровоза топлива  — твердого (уголь) или жидкого (нефть, мазут) — питательная вода в котле  превращается в пар, который подается в машину, где происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Одним из главных недостатков  паровоза является низкий КПД, составляющий 5...7%.

В настоящее время  в качестве локомотивов применяют  тепловозы, оборудованные двигателями  внутреннего сгорания (дизелями), и  электровозы. Локомотивы с карбюраторными двигателями внутреннего сгорания небольшой мощности называют мотовозами, а локомотивы с газотурбинными установками  — газотурбовозами.

Паровозы, тепловозы  и газотурбовозы являются автономными локомотивами, так как механическая энергия, обеспечивающая движение поезда, вырабатывается в результате сжигания топлива на самом локомотиве.

Развитие транспортной техники привело к созданию неавтономных локомотивов и моторных вагонов. В отличие от автономного тягового подвижного состава первичная (электрическая) энергия подводится к ним от внешних  источников. На самом локомотиве или  в моторном вагоне осуществляется лишь преобразование электрической энергии  в механическую энергию движения поезда.

Неавтономный тяговый  подвижной состав получает питание  от электростанций через тяговые  подстанции и контактную сеть. При  электрической тяге мощность тягового подвижного состава ограничена только мощностью внешних элементов  системы электроснабжения, поэтому  электрический подвижной состав может иметь большую мощность по сравнению с автономными локомотивами.

КПД тягового подвижного состава, характеризующий степень  использования энергоносителя для  получения полезной работы, тем выше, чем совершеннее первичная энергетическая установка.

КПД электрического подвижного состава изменяется в  пределах 25...32 % в зависимости от вида электростанций (тепловые, атомные, гидравлические), поставляющих электроэнергию.

КПД современных  автономных локомотивов и моторных вагонов дизель-поездов в зависимости от типа тепловозного двигателя достигает 29...31 %.

Эксплуатационные  затраты на техническое обслуживание и текущий ремонт электровозов ниже, чем у тепловозов. По провозной  способности электрифицированные  линии превосходят неэлектрифицированные железные дороги. По сравнению с тепловозами электровозы имеют больший срок службы, их ремонт проще, они экологически чище.

Вместе с тем  введение электрической тяги требует  значительных капиталовложений в устройство линий электропередачи, тяговых  подстанций и контактной сети. Однако затраты на железных дорогах с  высокой интенсивностью движения быстро окупаются. Поэтому на железных дорогах  России электрическая тяга нашла  широкое применение на грузонапряженных линиях со сложным профилем и в пригородном пассажирском движении.

Классификация тягового подвижного состава 

По роду работы локомотивы подразделяют на грузовые, пассажирские и маневровые. Мотор-вагонный подвижной  состав, применяемый в пригородном  движении, в отличие от локомотивов  не только служит для тяги прицепных  вагонов, но и используется для перевозки  пассажиров.

Применение на электровозах и тепловозах с электрической  передачей тяговых электродвигателей  позволяет использовать как индивидуальный, так и групповой привод. При  индивидуальном приводе каждая движущая колесная пара соединена со своим  двигателем. При групповом приводе  движущие колесные пары, размещенные  в одной жесткой раме, приводятся в движение одним двигателем с  использованием промежуточной зубчатой передачи.

Вес кузова современного локомотива передается на колесные пары через опоры (а иногда и вторичное  рессорное подвешивание), рамы тележек, первичное рессорное подвешивание и буксы. Если число колесных пар  не превышает шести, локомотив обычно выполняют с одним кузовом. Такой  локомотив называется односекционным.

При большем числе  колесных пар кузов локомотива оказывается  чрезмерно длинным, что усложняет  его конструкцию и затрудняет прохождение кривых участков пути. Поэтому многоосные локомотивы выполняют  не с одним, а с несколькими  самостоятельными кузовами-секциями, скрепленными друг с другом специальными шарнирными соединениями или автосцепками.

Расположение колесных пар в экипажной части локомотивов, род привода, передающего усилие от тяговых электродвигателей к  колесным парам, и способ передачи тягового усилия принято выражать осевой характеристикой, в которой цифры соответствуют  числу колесных пар. В осевой характеристике знак «-» означает, что тележки  не сочленены, т.е. не связаны шарнирно, и тяговое усилие от движущих колесных пар к автосцепке передается через  раму кузова, которая в этом случае имеет повышенную прочность. Знак «+»  показывает, что тележки сочленены, и сила тяги передается через рамы тележек.

Если движущие колесные пары имеют индивидуальный привод, то к цифре, с помощью которой  обозначено число осей, добавляют  индекс «О». Так, электровоз с осевой характеристикой 3о + 3о представляет собой локомотив с двумя сочлененными трехосными тележками и индивидуальным приводом движущих колесных пар.

Для двухсекционных локомотивов, каждая секция которых  может использоваться самостоятельно, перед осевой характеристикой одной  секции, заключаемой в скобки, ставят цифру 2. Например, осевая характеристика 2(3о - 3о) относится к двухсекционному  локомотиву, каждая секция которого имеет  две несочлененные трехосные  тележки и может работать самостоятельно. Если же секции локомотива самостоятельно не используются, то осевая характеристика приобретает вид 3о - 3о - 3о - 3о.

Различным по конструкции  локомотивам и мотор-вагонным поездам  принято присваивать разные обозначения  в виде комбинаций букв и цифр. К  основным обозначениям, характеризующим  серии локомотивов и моторных вагонов, иногда добавляют буквенные  индексы для указания дополнительных особенностей. Так, электровозы имеют  буквенное обозначение ВЛ с цифрами (числами), например 10, 11, 23, 80, и индексами  в виде малых букв (к, м, р, с, у, т и т.д.). Восьмиосный электровоз переменного (однофазного) тока с реостатным торможением имеет обозначение ВЛ80т, с рекуперативным торможением — ВЛ80р, электровоз постоянного тока с нагрузкой от колесной пары на рельсы, составляющей 23 т, — ВЛ23.

Для серий тепловозов с электрической передачей принято  буквенное обозначение ТЭ, а с  гидравлической — ТГ. В буквенное  обозначение серий тепловозов, кроме  грузовых, включают знак, характеризующий  назначение локомотива: П — пассажирский, М — маневровый. Например, тепловоз ТЭП70 представляет собой пассажирский локомотив с электрической передачей.

Каждая секция мотор-вагонного  поезда состоит из моторных и прицепных  вагонов. Управляют таким поездом  из кабины, расположенной в головном вагоне.

Современные электровозы  и тепловозы могут совершать  пробег между экипировками до 1200 км, а между техническими обслуживаниями — 1200... 2000 км. В зависимости от серии  электровоза запас песка на нем  составляет 1,6...6 м3.

На тепловозах запас  экипировочных материалов, кг, на одну секцию составляет: топлива — до 7500, песка — до 2300, масла — до 1250 и воды — до 1580. 
 
 
 
 

СТРОЙСТВО РЕЛЬСОВОЙ  КОЛЕИ. СТРЕЛОЧНЫЕ ПЕРЕВОДЫ 

Устройство рельсовой  колеи тесно связано с конструкцией и размерами колесных пар подвижного состава. Колесная пара включает в себя стальную ось, на которую наглухо  насажены колеса, имеющие для предотвращения схода с рельсов направляющие гребни.

Для того чтобы каждая колесная пара не могла поворачиваться вокруг вертикальной оси, колесные пары вагона или локомотива соединяют  по две и более жесткой рамой  тележек. Расстояние между крайними осями колесных пар, соединенных  рамой, называется жесткой колесной базой, а между крайними осями  вагона или локомотива — полной колесной базой.

Жесткое соединение колесных пар обеспечивает их устойчивое положение на рельсах, но в то же время затрудняет прохождение в  кривых малого радиуса, где возможно их заклинивание. Для облегчения вписывания в кривые современный подвижной  состав выпускают на отдельных тележках с небольшими жесткими базами.

Поверхность катания  колес подвижного состава в средней  части имеет уклон 1:20, наличие  которого обеспечивает их более равномерное  изнашивание, повышенное сопротивление  действию горизонтальных сил, направленных поперек пути, меньшую чувствительность колесных пар к его неисправностям и препятствует появлению желоба на поверхности катания, затрудняющего  прохождение колесных пар по стрелочным переводам. В соответствии с этим рельсы устанавливаются также с  уклоном 1:20, что при деревянных шпалах достигается за счет клинчатых подкладок, а при железобетонных — соответствующим  наклоном поверхности шпал в зоне опирания рельсов.

Расстояние между  внутренними гранями головок  рельсов называется шириной колеи. Эта ширина складывается из расстояния между колесами (1440 мм + 3 мм), двух толщин гребней (от 25 до 33 мм) и зазоров между  колесами и рельсами, необходимых  для свободного прохождения колесных пар. Ширина нормальной (широкой) колеи  в прямых и кривых участках пути с радиусом более 349 м, принятая в  России, составляет 1520 мм с допуском в сторону уширения 8 мм, а на участках со скоростью движения до 50 км/ч — 10 мм. Допуск в сторону сужения  равен 4 мм.  
 
 
 

В соответствии с  ПТЭ верхние части головок  рельсов обеих нитей пути на прямых участках должны находиться на одном  уровне. На всем протяжении прямых участков пути разрешается сооружать одну рельсовую нить на 6 мм выше другой.

При строительстве  пути стыки на обеих рельсовых  нитях располагают точно один против другого по наугольнику, что  по сравнению с расположением  стыков вразбежку уменьшает число ударов колесных пар о рельсы, а также позволяет заготавливать и менять рельсошпальную решетку целыми звеньями с помощью путеукладчиков.

Особенности устройства пути в кривых участках 

В кривых участках устройство пути имеет ряд особенностей, основными  из которых являются возвышение наружного  рельса над внутренним, наличие переходных кривых, уширение колеи при малых  радиусах, применение укороченных рельсов  на внутренней рельсовой нити, усиление пути, увеличение расстояния между  осями путей в круговых кривых двух- и многопутных линий в  соответствии с требованиями габарита.

Возвышение наружного  рельса предусматривается при радиусе  кривой 4000 м и менее для того, чтобы нагрузка на рельсовые нити была примерно одинаковой с учетом действия центробежной силы. Величина возвышения зависит от массы поезда, скорости движения и радиуса кривой. Согласно ПТЭ максимальное возвышение наружного рельса в кривой составляет 150 мм.

Наличие переходных кривых связано с необходимостью плавного сопряжения кривой с примыкающей  прямой как в плане, так и в  профиле пути.

Уширение колеи  обеспечивает вписывание подвижного состава  в кривые. Поскольку колесные пары закреплены в раме тележки таким  образом, что в пределах жесткой  базы они всегда параллельны друг другу, в кривой только одна колесная пара может расположиться по радиусу, а остальные находятся под  углом к нему. Это требует увеличения зазора между гребнями колес и  рельсами во избежание заклинивания колесных пар.

ПТЭ установлены  следующие нормативные значения ширины колеи в кривых в зависимости  от радиуса кривой:

Радиус кривой, м..................Не более 299   300...349  350 и более

Ширина колеи, мм................        1535             1530            1520

Укладка укороченных  рельсов во внутреннюю рельсовую  нить необходима для исключения разбежки стыков. Поскольку внутренняя нить в кривой короче наружной, применение рельсов одинаковой длины вызвало  бы забегание стыков вперед на внутренней нити. Для предотвращения разбежки стыков каждому радиусу кривой должна соответствовать своя величина укорочения рельса. В целях унификации установлены стандартные укорочения рельсовых звеньев длиной 25 м — 80 и 160 мм.

Стрелочные переводы 

Переход подвижного состава с одного пути на другой обеспечивают устройства по соединению и пересечению путей, относящиеся  к их верхнему строению. Соединение путей друг с другом осуществляют стрелочными переводами, а пересечение  путей — глухими пересечениями. Применяя стрелочные переводы и глухие пересечения, создают соединения путей, называемые стрелочными улицами  и съездами. 
 
 

В зависимости от назначения и условий соединения путей различают одиночные, двойные  и перекрестные стрелочные переводы. Одиночные переводы подразделяют на обыкновенные, симметричные и несимметричные.

Обыкновенный стрелочный перевод, служащий для соединения двух путей, может быть право- или левосторонним. Он применяется при отклонении бокового пути от прямолинейного в ту или  иную сторону. Этот вид переводов  наиболее распространен. В состав стрелочного  перевода входят собственно стрелка, крестовина с контррельсами, соединительная часть, расположенная между ними, и переводные брусья.

Стрелка включает в  себя два рамных рельса, два остряка, предназначенные для направления  подвижного состава на прямой или  боковой путь, и переводной механизм. 
 
 
 

Остряки соединяют  друг с другом поперечными стрелочными  тягами, с помощью которых один из них подводится вплотную к рамному  рельсу, в то время как другой отводится от другого рамного  рельса на расстояние, необходимое  для свободного прохода гребней  колес.

Перевод остряков из одного положения в другое осуществляется специальными стрелочными приводами  через одну из тяг, а в пологих  стрелочных переводах, остряки которых  имеют значительную длину, — через  две тяги и более. В приводе  имеется устройство, запирающее остряки  в том или ином положении и  контролирующее их плотное прилегание к рамным рельсам. Тонкая часть остряка  называется острием, а другой его  конец — корнем. Корневое крепление  обеспечивает поворот остряков в  горизонтальной плоскости и соединение с примыкающими к ним рельсами.

Крестовина состоит  из сердечника, двух усовиков и желобов. Она обеспечивает пересечение гребнем колес рельсовых головрк, а контррельсы направляют гребни колес в соответствующие желоба при прохождении колесной пары по крестовине. Точка пересечения продолжения рабочих граней сердечника крестовины называется ее математическим центром, а самое узкое место между усовиками — горлом крестовины. Угол а, образуемый рабочими гранями сердечника, называется углом крестовины. 

Наиболее важным параметром стрелочного перевода является марка крестовины.

В зависимости от назначения пути используют стрелочные переводы с крестовинами, имеющими следующие марки: 
 
 

На железных дорогах  широко применяется стрелочный перевод  усиленной конструкции с литой  крестовиной марки 1/11 и гибкими  остряками, допускающий движение поездов  по прямому пути со скоростью до 160 км/ч. Существующие переводы пологой  марки 1/18 применяют на маршрутах  следования поездов при отклонении их с главного пути на боковое направление, где скорость движения составляет 80 км/ч.

На линии Москва—Санкт-Петербург  используют стрелочные переводы с крестовиной  марки 1/11, предназначенные для движения пассажирских поездов по прямому  пути со скоростью 200 км/ч. Конструктивной особенностью этого перевода является наличие крестовины, имеющей гибкий подвижной сердечник). В рабочих положениях такой сердечник плотно прилегает к соответствующей боковой грани усовика крестовины, благодаря чему образуется непрерьгоная поверхность катания для колес подвижного состава. 
 
 

Распространенными устройствами для соединения путей  являются съезды. В зависимости от расположения соединяемых путей  съезды бывают обыкновенные, перекрестные и сокращенные.

Обыкновенный съезд  состоит из двух одиночных стрелочных переводов и соединительного  пути, укладываемого между корнями  их крестовин.

Перекрестный, или  двойной, съезд представляет собой  пересечение двух одиночных съездов. Он имеет четыре стрелочных перевода и глухое пересечение, помещаемое между  корнями крестовин. Такие съезды укладывают в стесненных условиях, когда для последовательного  расположения двух одиночных съездов  нет участка достаточной длины.

При устройстве перекрестных съездов, а также в местах, где  пути пересекаются, но перевод подвижного состава с одного из них на другой не осуществляется, выполняют глухие пересечения под прямым или острым углом. На магистральных железных дорогах  получили широкое распространение  глухие пересечения под острым углом  с применением крестовин марок 2/9 и 2/11. Эти пересечения состоят  из четырех крестовин с контррельсами, из них две крестовины острые и  две тупые. У прямоугольных пересечений  все крестовины одинаковые.

Путь, на котором  последовательно расположены стрелочные переводы, ведущие на параллельные пути, называется стрелочной улицей. Это  устройство дает возможность перемещать подвижной состав на любой из соединяемых  путей. Обычно стрелочные улицы объединяют группы путей одного назначения в  парки. В зависимости от расположения по отношению к основному пути и угла наклона стрелочные улицы  бывают разных видов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ОРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 

Железнодорожный транспорт  потребляет около 7 % энергии, производимой электростанциями России. В основном она расходуется на обеспечение  тяги поездов и питания нетяговых потребителей, к которым относятся станции, депо, мастерские и устройства регулирования движения поездов. Кроме того, к системе электроснабжения железной дороги могут быть подключены расположенные вблизи нее предприятия и небольшие населенные пункты.

Система электроснабжения электрифицированных дорог состоит  из внешней (электростанции, районные трансформаторные подстанции, сети и  линии электропередач) и тяговой (тяговые подстанции и электротяговая сеть) частей. 
 
 

На тепловых, гидравлических и атомных электростанциях вырабатывается трехфазный переменный ток напряжением 6...21 кВ и частотой 50 Гц. Для передачи электрической энергии к потребителям напряжение на трансформаторных подстанциях  повышают до 750 кВ в зависимости от протяженности высоковольтных линий  электропередачи (ЛЭП). Вблизи мест потребления  электроэнергии напряжение понижают до 110... 220 кВ и подают в районные сети, к которым наряду с другими  потребителями подключены тяговые  подстанции электрифицированных железных дорог и трансформаторные подстанции дорог с тепловозной тягой.

Нарушение электроснабжения железных дорог может привести к  сбою в движении поездов. Чтобы обеспечить надежное питание электроэнергией  тяговой сети железнодорожного транспорта, как правило, предусматривают ее подключение к двум независимым  источникам. В отдельных случаях  допускается питание от двух одноцепных линий электропередачи или одной двухцепной.

Тяговая сеть состоит  из контактных и рельсовых проводов, представляющих собой соответственно питающую и отсасывающую линии. Участки  контактной сети подсоединяют к соседним тяговым подстанциям. Это позволяет  более равномерно загружать подстанции и контактную сеть, что в целом  способствует снижению потерь электроэнергии в тяговой сети.

Системы тока. Напряжение в контактной сети 

На железных дорогах  России используют две системы электроснабжения: постоянного и однофазного переменного  тока. Тяга на трехфазном переменном токе не получила распространения, поскольку  технически сложно изолировать близко расположенные провода двух фаз  контактной сети (третья фаза — рельсы).

Электрический подвижной  состав обеспечивают тяговыми двигателями  постоянного тока, так как предлагаемые модели двигателей переменного тока не отвечают предъявляемым требованиям  по мощности и надежности. Поэтому  железнодорожные линии снабжают системой однофазного переменного  тока, а на локомотивах устанавливают  специальное оборудование, преобразующее  переменный ток в постоянный.

Правилами технической  эксплуатации регламентированы номинальные  уровни напряжения на токоприемниках электрического подвижного состава: 3 кВ — при постоянном токе и 25 кВ —  при переменном. При этом определены допустимые с точки зрения обеспечения  стабильности движения колебания напряжения: при постоянном токе — 2,7...4 кВ, при  переменном — 21 ...29 кВ. На отдельных  участках железных дорог допускается  уровень напряжения не менее 2,4 кВ при  постоянном токе и 19 кВ — при переменном.

Основными параметрами, характеризующими систему электроснабжения электрифицированных железных дорог, являются мощность тяговых подстанций, расстояние между ними и площадь  сечения контактной подвески.

На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, тяговые подстанции выполняют  две функции: понижают напряжение подводимого  трехфазного тока и преобразуют  его в постоянный. Все оборудование, подающее переменный ток, размещается  на открытых площадках, а выпрямители  и вспомогательные агрегаты —  в закрытых помещениях. От тяговых  подстанций электроэнергия поступает  в контактную сеть по питающей линии  — фидеру. 
 
 

Основными недостатками системы электроснабжения постоянного  тока являются его полярность, относительно низкое напряжение и отсутствие возможности  обеспечить полную электроизоляцию верхнего строения пути от нижнего. Рельсы, служащие проводниками тока разной полярности, и земляное полотно представляют собой систему, в которой возможна электрохимическая реакция, приводящая к коррозии металла. В результате снижается срок службы рельсов и искусственных сооружений. Для предотвращения этого применяют соответствующие защитные устройства (анодные заземлители, катодные станции и др.).

Из-за относительно низкого напряжения (U= 3 кВ) в системе  постоянного тока по контактной сети к электрическому подвижному составу  подводится мощность при большой  силе тягового тока. Для этого тяговые  подстанции размещают недалеко друг от друга (10... 20 км) и увеличивают  площадь сечения проводов контактной подвески.

При переменном токе повышается эффективность использования  электрической тяги, поскольку по контактной сети передается требуемая  мощность при меньшей силе тока по сравнению с системой постоянного тока. Тяговые подстанции в этом случае располагаются на расстоянии 40... 60 км друг от друга. Их задачей является только понижение напряжения со ПО...220 до 25 кВ, поэтому их техническое оснащение проще и дешевле, чем у тяговых подстанций постоянного тока. Кроме того, в системе однофазного переменного тока площадь сечения проводов контактной сети примерно в два раза меньше. Для размещения оборудования на тяговых подстанциях при переменном токе используют открытые площадки. Однако конструкция локомотивов и электропоездов при переменном токе сложнее, а их стоимость выше.

В результате воздействия  электромагнитного поля переменного  тока на металлические конструкции  и коммуникации, расположенные вдоль  железнодорожных путей, в них  появляется опасное для людей  напряжение, а в линиях связи и  автоматики возникают помехи. Поэтому  применяют особые меры защиты сооружений. Затраты на такие защитные меры, как улучшение электрической  изоляции между рельсами и землей, замена воздушных линий кабельными или радиорелейными, составляют 20...25 % общей стоимости работ по электрификации. 
 
 

Стыкование контактных сетей линий, электрифицированных  на постоянном и переменном токе, осуществляют на специальных железнодорожных  станциях. В ряде случаев, когда создание таких станций представляется нецелесообразным, применяют электровозы двойного питания, работающие как на постоянном, так и на переменном токе. 
 
 
 
 

ТЯГОВАЯ СЕТЬ 

Тяговая сеть состоит  из контактной (питающей) и рельсовой (отсасывающей) сетей. Рельсовая сеть представляет собой рельсы, имеющие  стыковые электрические соединения. Контактная сеть — это совокупность проводов, конструкций и оборудования, обеспечивающих передачу электрической  энергии от тяговых подстанций к  токоприемникам электрического подвижного состава.

Основным требованием  к конструкции контактной сети является обеспечение надежного постоянного  контакта провода с токоприемником независимо от скорости движения поездов, климатических и атмосферных  условий. В контактной сети нет дублируемых  элементов, поэтому ее повреждение может повлечь за собой нарушение установленного графика движения поездов.

В соответствии с  назначением электрифицированных  путей используют простые и цепные воздушные контактные сети. На второстепенных станционных и деповских путях  при сравнительно небольшой скорости движения может применяться простая  контактная подвеска, представляющая собой свободно висящий провод, который  закреплен на опорах. 
 
 
 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОДВИЖНОЙ  СОСТАВ 

К электрическому подвижному составу относятся электровозы  и электропоезда. В зависимости  от рода применяемого тока различают  электроподвижной состав постоянного  и переменного тока, а также  двойного питания.

Электрический подвижной  состав включает в себя механическую часть, пневматическое и электрическое  оборудование. 
 
 

К механической части  относятся кузов и тележки (экипажная  часть).

Электрическое оборудование — это тяговые электродвигатели, аппараты управления и устройства защиты, токоприемники, вспомогательные электрические  машины, аккумуляторная батарея, а на электровозах и электропоездах переменного  тока и двойного питания — также  тяговый трансформатор и преобразователи  тока (выпрямители).

Кузов электровоза  служит для размещения в нем кабины машиниста, электрических машин  и аппаратов. Каркас кузова выполняют  из металла, его наружная обшивка  обычно состоит из стальных листов, а кабина машиниста имеет также  внутреннюю обшивку с тепло- и  звукоизоляцией.