План:
- Как устроен и работает электровоз
- Схема электровоза
- Как устроен и работает тепловоз
- Схема тепловоза
- Система осевых формул
- Отличие электровоза от тепловоза
Электрово́з — неавтономный локомотив, приводимый в движение установленными
на нем тяговыми электродвигателями, питаемыми электроэнергией
из внешней электросети через контактную сеть, соединенные с тяговыми подстанциями (реже также от бортовых аккумуляторов. При классификации электровозов можно
выделить следующие признаки.
Экспериментальный электровоз
на железной дороге Pennsylvania Railroad
По роду службы — пассажирские (например, ЧС2, ЧС4, ЧС7, ЧС8), грузовые (например, ВЛ10, ВЛ15, ВЛ80, ВЛ85), маневровые (ВЛ41, ВЛ26) и промышленные (например, ЕЛ21, ЭК14). Из последней группы часто
выделяютшахтные электровозы, то есть предназначенные для
перевозки различных грузов по подземным
рельсовым путям.
По роду тока питания. В России на магистральных
железных дорогах используются 2 типа:
переменного тока — 25 кВ, 50 Гц (например, ВЛ80, ЧС4,ВЛ85, ЧС8, ВЛ41) и постоянного тока — 3 кВ (например, ВЛ10, ЧС2, ЧС7, ВЛ15,ВЛ26). Кроме того, для эксплуатации
на участках как постоянного, так и переменного
тока выпускаются двухсистемные электровозы
(например, ВЛ82,ЭП10, ЭП20), для эксплуатации в карьерах
и рудниках выпускаются электровозы постоянного
тока с напряжением питания 1500 В, 550 В, 250
В, переменного тока 10 кВ, а также с питанием
от аккумуляторов. В других странах мира,
в зависимости от принятых стандартов
в системе питания электрифицированных
железных дорог, применяются электровозы с
другими системами питания, например,
переменного тока напряжением 15 кВ, 16 2/3
Гц. Если электровоз питается от собственной аккумуляторной
батареи, то он называется аккумуляторным.
Существуют также бесконтактные
электровозы (наименее распространены).
Вдоль путей прокладывается токоведущая
шина, в которую подаётся ток высокой частоты,
а на электровозе устанавливается катушка,
в которой он индуцируется.
По типу тягового
привода. В России применяется следующая
классификация электровозов:
Тяговый привод 1-го класса:
опорно-осевое подвешивание тягового электродвигателя. Двигатель через моторно-осевые
подшипники опирается на ось колёсной
пары, за счёт жёсткой связи очень прост
редуктор. На оси двигателя и колёсной
пары насажены зубчатые колёса, централь
между которыми поддерживается моторно-осевыми
подшипниками.
Для данной конструктивной
схемы характерны большие разрушающие
нагрузки на двигатель, и в настоящее время
считается устаревшей. Однако в России
до сих пор такая конструктивная схема
применяется на грузовых электровозах
(главным образом выпущенных в советские
время).
Тяговый привод 2-го класса:
опорно-рамный двигатель и опорно-осевой
редуктор.
Типичен для пассажирских электровозов.
Двигатель в данной конструктивной схеме
обрессорен и соединён с редуктором посредством
муфты. Это обеспечивает плавность хода
и долговечность двигателя.
Тяговый привод 3-го класса: опорно-рамные двигатель и редуктор. Редуктор связан с колёсной парой муфтой. Из серийных электровозов, построенных в СССР и России, такое подвешивание имеют только пассажирские локомотивы Коломенского
завода — электровозы ЭП2К и ЭП200.
Электровоз Е 630 на Ferrovie Nord Milano
По типу передачи вращающего
момента с тяговых двигателей на колёсные парыразличают электровозы с групповым
(например, ВЛ40, ВЛ83) и индивидуальным приводом.
Также важнейшим признаком
является тип тяговых электродвигателей:
Коллекторные
электродвигатели. Сложны в изготовлении и обслуживании, так как имеют коллектор (фактически такой двигатель — постоянно работающий переключатель
со скользящими контактами), но просты
в управлении.
Асинхронные
двигатели. Двигатель конструктивно очень прост, легко переносит механические перегрузки, но требует для своего питания трёхфазного переменного тока. Это, в свою очередь, требует либо подвода к электровозу трёхфазного тока, как сделано на некоторых железных дорогах Италии, либо выработки его на локомотиве с помощью машинных преобразователей (устаревшее и нетехнологичное решение, практически нивелирующее преимущества асинхронных двигателей перед коллекторными) или статических преобразователей. Последнее
решение как наиболее технологичное применяется
на многих современных локомотивах.
По наличию и типу электрического
торможения- с рекуперативным,
реостатным торможением, их сочетанием или вовсе отсутствием электрического
тормоза.
По числу секций — одно-, двух-, трёх- и четырёхсекционные.
Некоторые серии электровозов предусматривают
возможность объединения двух, трёх или
четырёх секций электровозов для работы
по СМЕ.
Конструкция
Электровоз ВЛ80Т
Электровоз состоит из механической
части, электрического и пневматического
оборудования. Особенности конструкции
определяются его мощностью, максимальной скоростью и
другими условиями эксплуатации, для которых
проектируется электровоз
Механическую часть электровоза
составляют: кузов, тележки, рессорное
подвешивание, тормозная рычажная передача.
Тележка включает в себя раму,
колёсные пары, тяговые двигатели, буксы и элементы тяговой передачи —
редукторы.
Кузов электровоза (секции электровоза)
опирается через опоры на двух- или трёхосные
тележки. Под каждой секцией электровоза
тележек может быть две двух- или трёхосных
или три двухосных (ВЛ85, ЭП1). Тележки через систему рессорного
подвешивания и буксы опираются на колёсные
пары. Тележки оборудуются тормозной рычажной
передачей (если тормоза не дисковые) и тормозными цилиндрами.
Двигатели, приводящие электровоз
в движение, называют тяговыми электродвигателями (ТЭД). Тяговые двигатели могут
работать также и в режиме генератора.
Это свойство используется для электрического
торможения. Если электроэнергия, вырабатываемая
при вращении ТЭД, гасится на тормозных
реостатах, это называется реостатным
торможением. Если электроэнергия возвращается
в контактную сеть, то такое торможение
называется рекуперативным.
Электровоз ЧС4т
Пульт управления электровозаЧС7
Колёсные пары приводятся во
вращение тяговыми двигателями через
тяговую передачу. Тяговая передача состоит
из: одной или двух шестерней, напрессованных на вал тягового двигателя, одного
или двух зубчатых колёс, напрессованных на колёсную
пару (на ось или же на специальный прилив
в подступичной части колёсного центра).
На некоторых сериях электровозов (например,
ЧС2, ЧС4, ЭП1) в тяговую передачу также входиткарданный привод. Имеются варианты исполнения
тяговой передачи: с односторонним расположением
прямозубой тяговой передачи и карданным
валом (ЧС4), с односторонним расположением шевронной тяговой передачи и карданным
валом (ЭП1), с двусторонним расположением
косозубой тяговой передачи (ВЛ80). На всех эксплуатирующихся
в России электровозах применяется индивидуальный
тяговый привод, при котором каждая колёсная
пара вращается своим ТЭД. Характеристики
опытного электровоза с групповым приводом —
моноприводом, — построенного в СССР (ВЛ83), оказались хуже характеристик
электровозов с индивидуальным приводом,
что и обусловило отказ от схемы с моноприводом.
В кузове электровоза размещаются: кабины машиниста, коммутационное оборудование,
вспомогательные электрические машины, компрессор и пневматическое оборудование.
Всё оборудование электровоза, находящееся
под напряжением, опасным для жизни человека,
размещается в высоковольтной камере
(ВВК) или в закрытых шкафах. Для предотвращения
доступа человека в ВВК или шкафы предусмотрена
система электромагнитных или пневматических
блокировок.
Коммутационное оборудование
электровоза состоит из индивидуальных
и групповых контакторов, служащих для выполнения переключений
в силовой цепи электровоза и цепях вспомогательных
машин.
Для обеспечения токосъёма
с контактной
сети используются токоприёмники, устанавливаемые на крыше
электровоза.
Машинное отделение ЧС4
Машинное отделение ДЭ1
Регулирование
мощности и скорости движения (и тягового
усилия) электровоза производится путём
изменения напряжения на якоре и коэффициента
возбуждения на коллекторных ТЭД или изменением
частоты и напряжения питающего тока на
асинхронных ТЭД. Регулирование напряжения
выполняется несколькими способами. На
электровозах постоянного тока — путём
переключения групп тяговых двигателей
с последовательного соединения (все ТЭД
электровоза соединяются последовательно,
напряжение на один ТЭД восьмиосного электровоза —
375 В при напряжении в контактной сети 3
кВ) на последовательно-параллельное (2
группы по 4 ТЭД, соединённых последовательно,
напряжение на один ТЭД — 750 В), на параллельное
(4 группы по 2 ТЭД, соединённых последовательно,
напряжение на один ТЭД — 1500 В), при этом
для получения промежуточных значений
напряжения на ТЭД в цепь включаются группы реостатов, что позволяет получить ступени
регулирования в 40—60 В. На электровозах
переменного тока — путём переключения
выводов вторичной обмотки трансформатора
(электровозы ВЛ60, ВЛ80 (кроме ВЛ80р)), путём
переключения выводов первичной обмотки
трансформатора (электровозы ЧС4, ЧС4Т,
ЧС8), путём плавного регулирования напряжения
с помощью ВИП (выпрямительно-инверторного преобразователя) (электровозы
ВЛ80р, ВЛ85, ВЛ65,
ЭП1, 2ЭС5К).
Электровоз с вагонами соединяется
при помощи автосцепного
устройства или винтовой упряжью, в зависимости от региона где
он эксплуатируется. На электровозах с
сочленёнными тележками (ВЛ8) автосцепка
размещается на крайних поперечных балках
тележек. На электровозах, имеющих несочленённые
тележки, автосцепка устанавливается
в раме кузова.
История электровоза
Электровоз Сименса
Попытки использовать электрическую
энергию для механической работы предпринимались
с начала XIX века. Опыты Б. С. Якоби, проведённые в 1834 году с собранным им электродвигателем,
оснащённым вращающимся якорем, имели
важное значение для создания автономных
видов электрической тяги. Одновременно
в США, Германии, Франции проводились опыты по перемещению
макетов экипажей с помощью электрических
двигателей. В 1838 годуР. Дэвидсон совершил опытные
поездки с двухосной тележкой массой 5
тонн на участке железной дороги Глазго — Эдинбург. В 1845 году профессор Паж выдвигает предложение
по созданию электрической железной дороги
длиной 7,5 км на участке Вашингтон — Бладенсбург. При первых поездках
опытный электровоз достиг скорости 30
км/ч.
В 1879 году на Германской промышленной
выставке демонстрировался электровоз
мощностью 3 л. с., созданный немецким инженером Вернером фон
Сименсом. Локомотив использовался для
катания посетителей по территории выставки.
Скорость составляла 6,5 км/ч, локомотив
питался от третьего рельса постоянным
током напряжением 160 В.
В декабре 1879 года Вильям Хаммер начал работать помощником
в лаборатории Томаса Эдисона и участвовал в экспериментах
по созданию электровоза.
Локомотив «Ампер», 1883
Важный вклад в создание электровоза
внёс американский изобретатель Лео Дафт
(Leo Daft). В 1883 году он построил свой первый электровоз
«Ампер» (Ampère). Эта машина имела массу
в две тонны и могла тянуть десять тонн
с максимальной скоростью 9 миль в час
(16,7 км/ч), а мощность составляла 25 л. с. —
значительный прогресс по сравнению с
самым первым электровозом Сименса. После
«Ампера» Дафт построил локомотивы «Вольта»
(Volta) и «Пачинотти» (Pacinotti). Позднее Дафт
занялся электрификацией трёхмильного
участка балтиморской конки, однако данный
опыт к успеху не привёл, так как система
с питанием от третьего рельса оказалась
слишком опасной для условий города и
очень капризной в эксплуатации.
Тем не менее электрическая
тяга оказалась очень эффективной, и уже
к 1900 году во многих странах появляются
электрические локомотивы, пассажирские вагоны с тяговыми двигателями (прототипэлектропоездов) и трамваи. В октябре 1903 года поезд, в
составе которого был моторный вагон производства
компании Сименс, развил скорость 210 км/ч на
участке между Мариенфельде и Цоссеном в районе Берлина.