Локомотив – самодвижущаяся железнодорожная транспортная машина, предназначенная для создания на рельсовом пути движущей силы (силы тяги), под действием которой обеспечивается перемещение по нему поездов. Понятие интернационально (англ. и франц. locomotive, нем. Lokomotive, исп. 1оcomotora) и исторически имеет английское происхождение: первый поезд на первой в мире ж.-д. линии общего назначения Дарлингтон-Стоктон (1825 г., Англия) вел паровоз, построенный английским инженером и изобретателем Джорджем Стефенсоном (George Stephenson) и названный им «Локомошен» («Locomotion»), то есть «передвижение» или «перемещение». С распространением железных дорог и увеличением числа паровозов, имевших часто собственные имена, к ним применялось собирательное название «locomotive engine» – «передвигающая» или «движущая машина», где locomotive – прилагательное от locomotion. К сер. 19 в. определение locomotive стало нарицательным и по мере развития ж. д. в Европе и Северной Америке использовалось как название единственного тогда типа локомотива – паровоза, а затем, в 20 в., как общее наименование ж.-д. тяговых машин.
Содержание
Принцип действия
На автономных локомотивах потенциальная внутренняя энергия любого топлива (твердого, жидкого или газообразного) не может быть преобразована непосредственно в механическую работу силы тяги ведущих колес. При окислении (сжигании) топлива продукты его сгорания (дымовые газы) приобретают высокую температуру и становятся носителем тепловой энергии, которая затем может быть преобразована в механическую работу. При полном сгорании определенного количества топлива (масса В), теплота сгорания которого Q, потенциально может быть получена тепловая энергия в количестве A = BQ, которая и затрачивается на выполнение полезной работы локомотива: А=Азатр.
Энергетическая цепь (последовательность этапов преобразования энергии от Лзатр = BQ до Апол = FS) для автономного локомотива состоит, по крайней мере, из двух необходимых последовательных звеньев 1-2 (рис. 5.1): теплового генератора ТГ – устройства, которое преобразует внутреннюю химическую энергию топлива в тепловую энергию теплоносителя; и теплового двигателя ТД – машины, преобразующей тепловую энергию теплоносителя в механическую работу возвратно-поступательного или вращательного движения своего выходного устройства (вала или ползуна), которые составляют локомотивную энергетическую установку. Величины кпд этих звеньев (соответственно ηтг и ηтд определяют энергетическую эффективность локомотива, т. е. его кпд: ηлок =Апол/Азатр. В энергетической цепи обычно присутствуют еще два элемента: передаточный механизм ПМ (передача), находящийся между выходным устройством ТД и ведущими колесными парами К, входящий в последовательную цепь преобразования потока энергии и необходимый для приспособления величин момента и скорости на валу ТД, передаваемых на колеса, в соответствии с требованиями тяги, и на промежуточный отбор ВО части преобразуемой энергии – собственные нужды локомотива (привод вспомогательного оборудования, отопление, освещение и т. п.). Доля затрачиваемой энергии оценивается коэффициентом отбора мощности на собственные, нужды β. Кпд передачи ηпм и коэффициент β непосредственно влияют на общий кпд ηлок= ηтгηтд(1-β)ηпм.
Типы локомотивов
Различают автономные и неавтономные локомотивы. На автономных локомотивах используются различные энергетические установки, которые определяют тип локомотива: паровоз, имеющий паросиловую энергетическую установку, состоящую из парового котла и поршневой паровой машины; паротурбовоз, в состав паросиловой установки которого входят паровой котел и паровая турбина; тепловоз, энергетическая установка которого представляет дизельный двигатель внутреннего сгорания; теплопаровоз – опытный локомотив (создан в 30-40-х гг. 20 в.), имевший энергетическую установку, состоящую из парового котла и комбинированного пародизельного поршневого двигателя; газотурбовоз – локомотив с газотурбинной энергетической установкой. Создавались проекты автономных атомо возов – локомотивов с ядерной силовой установкой, имеющей в своем составе атомный реактор в качестве «источника» тепловой энергии – теплового генератора (ТГ) и паровую или воздушную турбину в качестве теплового двигателя (ТД).
В нач. 20 в. получили распространение неавтономные локомотивы — электровозы, которые, как и другие виды контактного электрического транспорта (трамвай, троллейбус), требуют непрерывного подвода электроэнергии через скользящий контакт между токоприемником локомотива и токоподводящей контактной электрической сетью. Создание электровозов и электропоездов способствовало электрификации многих ж.-д. линий. Исключение представляют аккумуляторные электровозы, имеющие электрохимические источники электроэнергии (аккумуляторы), периодически подзаряжаемые в стационарных условиях. Такие электровозы используют гл. обр. во внутризаводском промышленном ж.-д. транспорте.
Историческая справка
История ж.-д. транспорта непосредственно связана с созданием и совершенствованием конструкций локомотивов. Первый опыт, хотя и не вполне удачный, создания паровоза относится к 1803-1804 гг., когда англ. изобретатель Ричард Тревитик (Richard Trevithick) построил машину, способную везти по рельсовому пути состав вагонеток. В первой четверти 19 в. разными изобретателями был построен ряд различных по устройству единичных паровозов, также во многом несовершенных. Прогресс в области локомотивной техники связан с работами англ. изобретателя Джорджа Стефенсона, начиная с 1814 г. строившего паровозы и совершенствовавшего их конструкцию. Наиболее известными стали «Ракета» (Rocket, 1829 г.) и «Планета» (1830 г.), которые имели все основные элементы конструкции, сохранившиеся в паровозах 20 в.
В России первый паровоз был построен в 1834 г. на Выйском заводе Демидовых в Нижнем Тагиле механиком М. Е. Черепановым и его отцом Е. А. Черепановым.
Результаты работы многих специалистов, практиков, инженеров и изобретателей сделали паровоз настолько совершенным (на уровне своего времени) тяговым средством, что он окончательно утвердил свои преимущества перед конно-рельсовой тягой и стал основой для создания и развития ж.-д. транспорта и массового строительства железных дорог во всем мире. Во второй половине 19 в. конструкция паровоза, принципиально не меняясь, непрерывно совершенствовалась в направлениях повышения мощности, силы тяги, скорости движения и экономичности. К кон. 19 в. вся ж.-д. сеть мира (более 800 тыс. км) обслуживалась единственным в то время типом локомотива – паровозом.
Повышение мощности и усложнение конструкции паровозов приводили к увеличению их размеров и массы, что способствовало реализации больших величин силы тяги и давало возможность роста массы грузовых составов. Однако главным принципиальным недостатком паровозов оставалась их низкая энергетическая эффективность: величина кпд даже лучших паровозов в реальных условиях эксплуатации составляла всего 5-7%, что никак не соответствовало уровню развития науки, техники и экономики в середине 20 в.
В первой половине 20 в. были разработаны новые, более эффективные типы магистральных локомотивов – тепловозы и электровозы. С сер. 20 в. на ж. д. промышленно развитых стран началась замена паровозов на более прогрессивные виды тяги.
Идея создания локомотива с дизельной энергетической установкой – тепловоза -разрабатывалась с нач. 20 в. Попытка создания такого локомотива, предпринятая немецкими и швейцарскими машиностроительными фирмами под руководством изобретателя двигателя Р. Дизеля (R. Diesel) в 1910-1913 гг., оказалась неудачной. Первые работоспособные магистральные тепловозы были созданы в 1924 г. но проектам отечественных специалистов Ю. В. Ломоносова и Я. М. Гаккеля. Серийное производство тепловозов в стране, начатое на Коломенском заводе в 30-х гг., получило значительное развитие начиная с сер. 50-х гг., что позволило обеспечить полную замену паровозов в поездной работе к 1975 г. Первые поездные тепловозы в СССР и США имели мощность по дизелю на уровне 700-900 кВт; секционная мощность тепловозов к кон. 20 в. достигла 4400 кВт в России (2ТЭ136, ТЭП80) и 4700 кВт в США (опытные тепловозы с передачей переменного тока). Мощность и энергетическая эффективность тепловозов (кпд 26-30%) повышались за счет применения высокоэффективных дизельных двигателей, совершенствования электрической передачи (последовательно разрабатывались и использовались передачи постоянного тока, переменно-постоянного и переменного тока). Созданы надежные конструкции экипажной части тепловозов, применены системы автоматизации и контроля, что позволило сделать тепловоз эффективным и современным локомотивом и способствовало его распространению практически на всех ж. д. мира.
Электрическая тяга с подводом энергии извне с начала 20 в. применялась в городском рельсовом транспорте – трамвае, в 20-е гг. 20 в. стала использоваться на магистральных ж. д Электрификация ж. д. в СССР началась в 30-е гг.; в то же время были созданы первые советские 6-осные электровозы (ВЛ19), имевшие суммарную мощность тяговых электродвигателей в продолжительном режиме 1800 кВт. Начиная с 50-х гг. производство электровозов в стране и масштабы электрификации ж. д. значительно расширились. Были разработаны, внедрены в производство и стали использоваться на ж. д. 8-осные электровозы постоянного тока (модификации типов ВЛ8 и ВЛ10), однофазного переменного тока промышленной частоты (тип ВЛ80) и двойного питания (тип ВЛ82). Созданные в 80-е гг., 12-осные электровозы ВЛ15 и ВЛ85, развивают мощность 9000-10 000 кВт (в часовом режиме).
Применение тепловозов и электровозов дает ж. д. значительный экономический эффект за счет более высоких по сравнению с паровозами кпд, большей мощности и производительности. В сер. 20 в. на ж. д. большинства промышленно развитых стран прошла массовая замена паровозов на более прогрессивные локомотивы – тепловозы и электровозы. В СССР этот процесс, названный коренной реконструкцией тяги на ж.-д. транспорте, происходил в 1955-1975 гг., в результате чего ж. д. полностью были обеспечены тепловозами и электровозами (к 2001 г. в России электрифицированы 41,1 тыс. км ж.-д. линий из общей протяженности сети 86 тыс. км). Вся маневровая работа на сети ж. д. выполняется тепловозами.
В большинстве зарубежных стран на ж.-д. транспорте также используются тепловозы и электровозы, однако соотношения между видами тяги зависят от местных условий и особенностей экономики. Например, в Швейцарии вся сеть ж. д. электрифицирована, в США – практически вся сеть (более 99%) обслуживается только тепловозами. Паровозная тяга на ж. д. частично сохраняется в ряде стран, в число которых входят Китай, Индия, некоторые страны Африки и Южной Америки, в особенности, имеющие достаточные запасы каменного угля.
Классификация
Кроме разделения локомотивов по типам энергетических установок, классификацию проводят по ряду других признаков. По виду выполняемой работы различают локомотивы поездные и маневровые: поездные обеспечивают основную работу ж.-д. транспорта – перевозки, т.е. движение поездов по ж.-д. линиям; маневровые выполняют вспомогательную, маневровую работу – передвижение отдельных вагонов или их групп на путях ж.-д. станций и подъездных путях промышленных предприятий в процессах формирования и расформирования составов, при погрузке и выгрузке вагонов и т. п.
Поездные локомотивы делятся по назначению на грузовые, пассажирские, универсальные. Грузовые локомотивы, которые предназначены для вождения поездов, чтобы обеспечивать возможность движения поездов большой массы (3-5 тыс. т), должны быть способны реализовывать силу тяги, соответствующую большим расчетным значениям (6000 кН на ведущую ось и более). Для грузовых тепловозов и электровозов характерны значительные мощности, большое число ведущих колесных пар (как правило, не менее 8-12). Они обычно состоят (на российских ж. д.) из двух одинаковых секций. Пассажирские локомотивы, предназначенные для вождения скорых пассажирских поездов, отличаются от грузовых использованием мощности своей энергетической установки в основном на реализацию высокой скорости движения (160-200 км/ч). Для них не требуется большого числа ведущих колесных пар, поэтому они обычно выполняются односекционными с двумя кабинами машиниста, но имеет значение диаметр их колес. Универсальные локомотивы (обычно грузопассажирские) применяются в грузовом и пассажирском движении, что оправдано при малых размерах движения, имеют меньшую мощность по сравнению с грузовыми и пассажирскими локомотивами, по своим прочим параметрам занимают промежуточное положение между ними; используются на ж. д. с малой интенсивностью движения.
Маневровые локомотивы имеют существенно меньшую мощность по сравнению с поездными. Наибольшее значение для них имеют автономность, обеспечивающая возможность перемещения вагонов по всем станционным и подъездным путям, в том числе и по неэлектрифицированным; высокая готовность к работе вообще и в переменных режимах в особенности. Поэтому в качестве маневровых используются тепловозы, имеющие мощность (по энергетической установке) 800-1000 кВт. На ж. д. России – это 6-осные тепловозы ТЭМ2 и ЧМЭЗ. Однако для реализации необходимой силы тяги такой тепловоз при меньшей мощности имеет экипаж (и вес) практически одинаковый с одной секцией грузового тепловоза. Для тяжелой маневровой работы (например, надвига составов на сортировочные горки) могут использоваться и так называемые маневрово-вывозные тепловозы большей мощности – до 1500 кВт (тепловоз ТЭМ7). Меньшую мощность (до 500 кВт) имеют локомотивы, используемые для перемещения специальных вагонов в технологических процессах промышленных предприятий, для внутренних перевозок по заводским или подъездным путям без выхода на пути МПС (промышленные локомотивы).
Локомотивами иногда считают моторные вагоны специфического пассажирского состава ж. д.- моторвагонных электропоездов и дизель-поездов. Так как моторные и прицепные вагоны этих поездов не функционируют по отдельности, а всегда эксплуатируются в сцепе (или в виде отдельных секций, в которые входят один моторный вагон и один-два прицепных), эти поезда (включая их прицепные, несамоходные вагоны), так же как и рельсовые автобусы и автомотрисы, относят к тяговому подвижному составу.
Локомотивы делятся также по ширине рельсовой колеи: на локомотивы нормальной (или широкой) колеи, величина которой принята 1520 мм в России, СНГ и некоторых др. странах, и 1435 мм (4 фута и 8 г дюйма – «стефенсоновская» колея), принятая во многих странах Западной Европы, Азии и Америки; и узкоколейные – с шириной колеи от 600 до 1000-1100 мм. На ж. д. некоторых стран, преимущественно Юго-Восточной Азии (Япония, Вьетнам и др.), «нормальной» является ширина колеи 1067 мм (точнее, 1066,8 мм – 3 фута и 6 дюймов), для которой и строятся локомотивы. В России тепловозы с такой шириной колеи строились специально для Сахалинской железной дороги.
Обозначения и характеристики
переменного тока различались индексами, например: ВЛ80Т, ВЛ80Р, ВЛ80К. Созданные в 1980-х гг. 12-осные электровозы получили обозначения соответственно ВЛ15 и В Л 85. Проекты и опытные образцы новых российских электровозов обозначают по принципу, похожему на обозначения тепловозов: начинают с буквы Э (электровоз), дополняя ее буквой П для пассажирских, и далее цифровой частью, где для обычных электровозов добавляют одну индивидуальную цифру (например, Э4, Э6, ЭП2, ЭП5), а для скоростных электровозов – три (например, ЭП100, ЭП200).
В обозначениях серий локомотивов, работающих в России, но построенных за рубежом, имеются буквы, указывающие на страну-изготовитель (например, маневровые тепловозы ЧМЭЗ и пассажирские электровозы ЧС4 – поставлены из Чехословакии).
В других странах обозначения серий локомотивов устанавливаются либо централизованно – в странах с национализированными ж. д. (во Франции, где серия локомотива обозначается двумя первыми цифрами пятизначного номера локомотива, например, 70000, 72000 и т.п.; в Великобритании также серия (класс) обозначается двузначным порядковым номером, например, 56, 58 – для тепловозов; 90, 92 – для электровозов Евротоннеля), либо фирмами-изготовителями, как в США. Общим является стремление вложить в обозначение серии локомотивов смысловое содержание.
Осевая формула локомотива (или осевая характеристика) отражает число, расположение и назначение осей (колесных пар) локомотива (рис. 5.2). Для обычных паровозов она представляется в виде трех цифр, которые разделены знаком «-» (тире). Каждая из цифр последовательно соответствует числу направляющих (или бегунковых), ведущих и поддерживающих колесных пар, например, 1-5-1, 2-4-2, 0-5-0. Ноль означает отсутствие в экипажной части колесных пар данного назначения. Для тележечных локомотивов – тепловозов и электровозов, все колесные пары которых обычно служат ведущими, ноли в соответствующих разрядах не ставятся, в формулах отражается число ведущих колесных пар по тележкам (цифра 2, 3 или 4), дополняемое нижним индексом 0 (ноль), если ведущие колесные пары имеют индивидуальный привод (от отдельного тягового электродвигателя). Например, односекционный 6-осный тепловоз ТЭП70 имеет осевую формулу Зо-Зо, которая показывает, что у тепловоза две 3-осных тележки с индивидуальным тяговым приводом. Знак «-» (тире) означает, что тележки не соединены между собой (не сочленены). Для двухсекционного тепловоза 2ТЭ116, у которого секции соединены (сцеплены) между собой, что отражает знак «+», осевая формула выглядит так: Зо_Зо + Зо-Зо, или проще: 2(Зо-Зо). Аналогично для 8-осных электровозов: 2(2о-2о), для 12-осных: 2(2o-2o-2q). Для односекционных 6-осных электровозов (например, ВЛ22), у которых 3-осные тележки сочленены между собой, осевая формула имеет вид: Зо + Зо- Соответственно, для 8-осных локомотивов, у которых 4-осные тележки образованы путем объединения 2-осных (тепловозы ТЭМ7 и ТЭП80, электровозы ЭП100 и ЭП200), формула выглядит так: 2q + 2о~2о + 2q. Для тепловозов и электровозов нетележечного типа, когда все колесные пары размещены в одной общей раме, осевые формулы составляют как для паровозов, например, 2—5о 1 (осевая формула для серийного тепловоза Ээл довоенной постройки) или 0-3-0 (промышленный тепловоз ТГМ1 с групповым приводом колесных пар).
За рубежом в осевых формулах локомотивов число ведущих осей в тележках обозначают не цифрой, а буквой, порядковый номер которой в латинском алфавите соответствует числу осей (А – одна колесная пара, В – две, С – три, D – четыре). Следовательно, обозначение Со~Со в США или Великобритании соответствует формуле Зо~Зо- Наличие в экипаже локомотива направляющих и поддерживающих осей также обозначается цифрами, например, Ao-1-Ao-Ao-l-Ao (в данном случае у тепловоза с 3-осными тележками средние колесные пары в тележках не имеют тяговых электродвигателей) или 2-Bq-2 (электровоз с двумя ведущими осями в общей раме).
Тяговая характеристика локомотива представляет собой зависимость силы тяги F от скорости движения v и режима работы его силовой энергетической установки. Тяговая характеристика представляется в виде графика зависимости: F = f(v).
Осевая нагрузка локомотива или, точнее, нагрузка от ведущей оси на рельсы, характеризует статическое воздействие локомотива на ж.-д. путь. Для российских локомотивов установлены две нормы осевой нагрузки, связанной с прочностью пути: 225 кН (или 23 т массы, приходящейся на одну ведущую ось) и 245 кН (25 т массы на ось).
Служебный вес локомотива -это полный вес локомотива в эксплуатационном состоянии, имеющего 2/з запасов расходуемых материалов (песка – для электровозов и топлива и песка – для тепловозов).
Сцепной вес локомотива, или сцепная масса, – это вес (масса), приходящийся на все ведущие колесные пары и участвующий в реализации силы тяги. Так как почти все тепловозы и электровозы имеют все колесные пары ведущие, то для них сцепной вес равен служебному. Сцепной вес (как и служебный) равен сумме нагрузок от ведущих колесных пар на рельсы.
