содержание   ..  1  2  3   ..

Электрические железные дороги (В.П. Феоктистов) - 2006 год

Приведены основные сведения об электрических железных дорогах, описана конструкция основных узлов и агрегатов электроподвижного состава, рассмотрены вопросы электроснабжения электрических железных дорог, эксплуатационной деятельности железных дорог, локомотивного хозяйства. Учебник рассчитан на студентов специальности 190303 «Электрический транспорт железных дорог». Отдельные разделы могут использоваться студентами других специальностей.
 

ПРЕДИСЛОВИЕ (Электрические железные дороги)

Электрические железные дороги являются основой нашей транспортной системы, они реализуют около 75% всего грузооборота железнодорожного транспорта. Ещё на рубеже 50 - 60-х годов СССР вышел на первое место в мире по протяжённости железных дорог с электрической тягой и по выполняемому ими грузообороту, а также по количеству и по суммарной мощности выпускаемого нашими заводами электроподвижного состава - электровозов и электропоездов.

Столь значительные количественные показатели сопровождались соответствующим развитием научно-исследовательских и конструкторских разработок по электрической тяге и электровозостроению. Поэтому электрические железные дороги представляют собой самостоятельную транспортную отрасль со своей специфической технической базой, включающей подвижной состав и энергоснабжение, со своей отраслевой наукой, а также с инфраструктурой, опирающейся на те отрасли транспортного машиностроения и электротехнической промышленности, которые обеспечивали производство оборудования для технической базы электрических железных дорог. В эту инфраструктуру входят такие строительные организации, обеспечивающие электрификацию: монтаж контактной сети, подстанций, линий электропередач, реконструкцию локомотивных и мотор-вагонных депо.

Благодаря этому, как у нас, так и за рубежом электрические железные дороги выделились в самостоятельный вид транспорта и ему соответствует самостоятельная инженерная специальность и комплекс учебных дисциплин. Первый в мире учебный курс «Электрические железные дороги» начал читать в 1907 г. в Петербургском технологическом институте академик Графтио Генрих Осипович -один из основоположников электрической тяги в России, несомненная заслуга которого состоит в том, что он развивал теорию электрификации железных дорог как составную часть комплексной электрификации России. Он рассматривал электрификацию как ключевую отрасль научно-технического прогресса на транспорте, в промышленности и сельском хозяйстве.

Данный учебник продолжает отечественную традицию лидирующей роли электрификации, заложенную академиком Графтио Г.О., и представляет собой расширенный вводный курс для студентов при подготовке инженеров в области эксплуатации электрических железных дорог, а также по электровозостроению. При этом соблюдён принцип построения интегрированного курса, поскольку всё, относящееся к электрическим железным дорогам, рассматривается как единая и самостоятельная научная и учебная дисциплина.

Этот учебник позволяет изучить принципы электрической тяги, режимы работы электроподвижного состава постоянного и переменного токов магистрального и пригородного сообщений.

Авторы учебника надеются, что оно будет полезным не только студентам транспортных вузов и техникумов, но также и локомотивным бригадам, ремонтному персоналу и всем желающим познакомиться с принципами и особенностями работы электрической железной дороги.

 

1. СИСТЕМА ЛОКОМОТИВНОЙ ТЯГИ НА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ

1.1. Подвижной состав железных дорог

В технике железнодорожного транспорта выделяют подвижной состав, т.е. локомотивы и вагоны, а также инфраструктуру, т.е. неподвижные устройства (путь, искусственные сооружения и т.д.). Классификация подвижного состава приведена на рис. 1.1. подвижной состав разделяют на тяговый подвижной состав и вагоны.

Рис. 1.1. Классификация подвижного состава железных дорог

Движение поездов на железнодорожном транспорте осуществляется с помощью тягового подвижного состава. К нему относятся локомотивы и мотор-вагонный подвижной состав; последний состоит из моторных и прицепных вагонов. Мотор-вагонные поезда (электрические и дизельные) эксплуатируются в составах постоянного формирования. На локомотивах и моторных вагонах энергия, полученная от первичного источника, превращается в механическую энергию движения поезда (путем создания касательной силы тяги в точках контакта колес с рельсами).

Первоначально преобразование тепловой энергии, получаемой при сжигании топлива, в механическую производилось установкой с паровым котлом и паровой машиной. Локомотивы с такими установками получили название паровозов - это были первые локомотивы железных дорог.

В дальнейшем на смену паросиловым установкам пришли более совершенные тепловые двигатели: дизели и газовые турбины. Локомотивы с поршневыми двигателями внутреннего сгорания (дизелями) называются тепловозами, а локомотивы с газотурбинными установками- газотурбово-зами.

Паровозы, тепловозы и газотурбовозы являются автономными локомотивами, т.е. механическая энергия для движения поездов вырабатывается в результате сгорания топлива на самом локомотиве.

Развитие транспортной техники и развитие энергетики привело к созданию локомотивов и моторных вагонов неавтономной тяги. В отличие от автономного тягового подвижного состава здесь первичная (электрическая) энергия поступает на локомотив или моторный вагон от внешних источников. На самом локомотиве или моторном вагоне осуществляется лишь преобразованием электрической энергии в механическую энергию движения поезда. Неавтономный тяговый подвижной состав получает электропитание от электрической энергосистемы через тяговые подстанции и контактную сеть, расположенную над железнодорожными путями. При электрической тяге мощность локомотивов не ограничена первичным двигателем; поэтому электровозы имеют большие мощности на каждую ось в сравнении с автономными локомотивами.

Коэффициент полезного действия локомотива, характеризующий степень использования тепла сгорания топлива для получения полезной работы, тем выше, чем совершеннее первичная энергетическая установка. Энергия, потребляемая неавтономными локомотивами, вырабатывается на электростанциях.

Коэффициент полезного действия электротяги при питании от тепловых электростанций составляет 25-26%. При этом тепловые электростанции работают, как правило, на дешевых видах топлива (бурый уголь, торф). Если учесть долю гидроэлектростанций в электроснабжении электрических железных дорог, то КПД электротяги повышается до 32%.

Автономные локомотивы в зависимости от типа теплового двигателя и степени его использования имеют КПД достигающий у тепловозов 2931%, а паровозов 5-7%. За счет улучшения использования и повышения экономичности дизеля КПД тепловоза может быть несколько повышен. КПД газотурбовоза пока еще несколько ниже, чем у тепловоза. Однако существенным преимуществом газовой турбины является её небольшой вес

- она в 4-6 раз легче дизеля, такой же мощности. Это позволяет создавать газотурбовозы, идентичные по мощности электровоза.

Тяговые электродвигатели у электровозов позволяют при движении на расчетных подъемах работать на режимах с нагрузками, превышающими номинальные, если при этом перегрев обмоток электродвигателей не превышает допустимых пределов. У моторных вагонов электродвигатели обычно работают с токами больше номинальных во время пуска (разгона) поезда, что важно для пригородного сообщения с частыми остановками.

Электровозы могут при торможении возвращать в тяговую сеть часть энергии движения поезда (рекуперативное торможение). Эксплуатационные затраты на техническое обслуживание и текущий ремонт электровозов примерно в 2-3 раза ниже, чем при автономных локомотивах. Провозная способность электрифицированных линий значительно превышает провозную способность неэлектрифицированных железных дорог. Элек-

тровозы имеют значительно больший срок службы, ремонт и обслуживание их проще, чем тепловозов.

Вместе с тем введение электрической тяги требует больших капиталовложений (устройство контактной сети, линий электропередачи, тяговых подстанций). Однако они быстро окупаются на железных дорогах с большой интенсивностью движения. Поэтому электрическая тяга нашла широкое применение на наиболее грузонапряженных и тяжелых по профилю линиях, а также в пригородном пассажирском движении.

По роду работы локомотивы подразделяются на грузовые, пассажирские и маневровые. Грузовые локомотивы должны развивать силу тяги, позволяющую водить поезда большой массы до 6000 т. Пассажирские локомотивы предназначены для вождения более легких поездов, но с большими скоростями.

Моторвагонный подвижной состав на электрифицированных линиях состоит из электровагонов, включаемых в электропоезда; на неэлектри-фицированных линиях применяют дизель-поезда. В отличие от локомотивов моторные вагоны служат не только для тяги поезда, а используются одновременно и для размещения и перевозки пассажиров.

Сила тяги, которая вызывает перемещение поезда, появляется в результате взаимодействия колес локомотива или моторного вагона с рельсами при передаче вращающего момента от двигателя к колесным парам.

Применение на электровозах или тепловозах тяговых электродвигателей дает возможность использовать как индивидуальный, так и групповой привод. При индивидуальном приводе каждая движущая колесная пара соединена со своим тяговым двигателем зубчатой передачей. При групповом приводе движущие колесные пары, размещенные в одной жесткой раме, соединяются между собой промежуточными зубчатыми колесами, но все колесные пары получают вращение от одного двигателя.

Если число колесных пар не превышает шести, локомотив всегда выполняется с одним кузовом. Такой локомотив называется односекционным. При большом числе колесных пар кузов локомотива оказывается слишком длинным и тяжелым, что сильно усложняет его конструкцию и затрудняет прохождение кривых. Поэтому такие локомотивы обычно выполняются не с одним, а с двумя и даже с тремя самостоятельными кузовами (секциями), соединенными между собой автосцепками или специальными шарнирными соединениями. Такие локомотивы называются двух- или трехсекционными. В некоторых случаях оборудование многосекционных локомотивов позволяет каждой его секции самостоятельно водить поезда. В последнее время односекционными сталивыполнять и 8-осные локомотивы (электровоз ЭП200).

Расположение колесных пар в экипаже, род первичного двигателя, связи от тяговых электродвигателей к колесным парам и способ передачи тягового усилия принято выражать осевой характеристикой, в которой цифрами показывается число колесных пар. В осевой характеристике знак «-» означает, что обе тележки несочлененные - не связаны шарнирно - и тяговое усилие от движущих колесных пар к автосцепке локомотива пере-

дается через рамы тележки. Знак «+» указывает, что тележки сочлененные

- соединены между собой и сила тяги передается через раму кузова.

Если движущие колесные пары имеют индивидуальный привод, то к цифре, показывающей число осей в тележке, добавляется индекс «0». Так, электровоз с осевой характеристикой 30+30 представляет собой локомотив с двумя сочлененными трехосными тележками и с индивидуальным приводом движущих колесных пар. Тепловоз с осевой характеристикой 2(30-30) - двухсекционный локомотив, каждая секция которого имеет две трехосные тележки с индивидуальным приводом движущих колесных пар и может работать самостоятельно. Если же секции не могут работать самостоятельно, то осевая характеристика в данном случае имела бы вид 3030-30-30.

На железных дорогах широко применяют, особенно при тяжелых поездах, кратную тягу, т.е. совместную работу нескольких локомотивов. В связи с эти многие электровозы и тепловозы имеют оборудование, позволяющие им работать по системе нескольких (многих) единиц, что дает возможность помощью электрических цепей управлять всеми секциями локомотива или локомотивов из одной кабины машиниста; достигается точно согласованная и синхронная работа локомотивов и отпадает необходимость иметь на каждом из них полный состав локомотивных бригад. Особенно широко управление по системе многих единиц используется на электропоездах и дизель-поездах. Здесь поезд составляют из нескольких постоянных по составу поездных единиц - секций.

Каждая секция включает в себя один моторный вагон и несколько (обычно один или два) прицепных (немоторных вагонов). Управляют таким поездом из одной кабины, расположенной в головном вагоне.

На железных дорогах страны эксплуатируются электровозы около 20 серий и модификаций. Одним из самых мощных является двухсекционный 12-осный электровоз ВЛ85 с рекуперативным торможением, предназначенный для работы на магистралях, электрифицированных по системе однофазного переменного тока напряжением 25 кВ. электровоз состоит из двух шестиосных секций; кузов каждой из них подвешен на трех двухосных тележках. Электровоз может водить поезда массой 6000 т и более. Для вождения более тяжелых поездов и для работы на участках с более трудным профилем предусмотрена возможность работы двух электровозов при управлении одним машинистом из кабины любой секции. На электровозе предусмотрено автоматическое управление режимом движения. Мощность локомотива 10 000 кВт, сила тяги 740 кН, конструкционная скорость 110 км/ч.

В числе новых локомотивов грузовой 12-осный электровоз ВЛ15, он предназначен для вождения тяжеловесных поездов на магистральных участках с напряжением 3000 В постоянного тока. Мощность локомотива 9000 кВт, сила тяги 657 кН, конструкционная скорость 100 км/ч.

Современные электровозы и тепловозы могут совершать пробег между экипировками в зависимости от массы поездов и профиля пути до 1200 км, а между техническими обслуживаниями - от 1200 до 2000 км.

К электрическому подвижному составу относятся электровозы и электрические моторные вагоны. В зависимости от рода применяемого тока различают электровозы постоянного и переменного тока и двойного питания; также различаются и электропоезда.

Электровозы и моторвагоны состоят из механической части, электрического оборудования и имеют пневматические системы. К механической части современного электровоза или моторвагона относятся кузов и тележки. Электрическое оборудование состоит из тяговых электродвигателей, вспомогательных электрических машин, аппаратуры для управления двигателями и вспомогательными машинами, а на электроподвижном составе переменного тока и двойного питания, кроме того, - из трансформаторов и преобразователей тока (выпрямителей для питания электродвигателей переменного тока или автономных инверторов для питания асинхронных электродвигателей).

содержание   ..  1  2  3   ..