Введение

Электрификация железных дорог является составной частью планов социально-экономического развития народного хозяйства и ведущим звеном их технической реконструкции.

Электровозы и электропоезда имеют высокие экономические показатели и ряд технических преимуществ по сравнению с локомотивами других видов. Введение электрической тяги на грузонапряженных линиях приводит к значительному росту их пропускной и провозной способности, снижению эксплуатационных расходов на обслуживание локомотивов. Себестоимость грузовых перевозок при электрической тяге по отношению к себестоимости перевозок при тепловозной (дизельной) тяге ниже: например, в 1989 г. она составила 70 %. Для кондиционирования пассажирских вагонов требуется мощность 300-650 кВт, а в случае электрического отопления - 700-750 кВт. На электрифицированных участках электрооборудование вагонов получает электроэнергию непосредственно от контактной сети, мощность ЛОКОМОТИВОВ при этом не снижается. На тепловозах и дизель-поездах для этих целей отбирается мощность 600-650 кВт от первичных двигателей, т е. уменьшается мощность, используемая для тяги.

Средневзвешенный эксплуатационный к. п. д. электротяги при питании от электростанций всех типов, с учетом потерь топлива при его добыче, транспортировке и хранении

Лэт - Л1 ЛгЛзЛ4Л5^ал-

Он зависит от к. п. д. электрических станций ц,, к. п. д. линий электропередачи с учетом к. п. д. трансформаторных подстанций т]₂ = 0,95 4- 0,96, к. п. д. тяговой подстанции т)₃ = 0,94ч- 0,97, к п. д контактной сети ц₄ = 0,944-0,96, к. п. д. электрического локомотива % = = 0,85 4- 0,88, а также от коэффициента а„, учитывающего потери при добыче и транспортировке топлива для электро станций, равного 0,94 ч- 0,96. Эксплуатационный к. п. д. электрической тяги в 1989 г. превышал 25%; с повышением к. п. д. электростанций и снижением потерь на э. п. с. и в устройствах электроснабжения его значение будет увеличиваться; предполагается, что в перспективе он составит 29,5-33,4% Отметим, что средний эксплуатационный к. п д. тепловоза при использовании его мощности на 80-100% составляет 28%, а при использовании этой мощности на 30% к.п.д. снижается до 20%. Эксплуатационный к. п. д. паровой тяги составляет 3-4%.

При электрической тяге не происходит загрязнения окружающей среды, как при тепловозной и паровой. На паровозах и тепловозах механическую энергию, развиваемую на затяжном спуске, приходится гасить механическим тормозом, в результате чего изнашиваются бандажи колес и тормозные колодкн. Электроподвижной состав на спусках и при снижении скорости переводят в режим рекуперации, переключая тяговые двигатели на работу в качестве генераторов электроэнергии, при этом локомотив не только не потребляет энергию, но вырабатывает ее сам. Эта энергия может быть использована другими электрическими локомотивами нлн же возвращена в общую энергосистему. В 1989 г., например, возврат электрическими локомотивами энергии в контактную сеть (рекуперация) составил 1622 млн. кВт-ч при общем потреблении на тягу 61 100 млн. кВт-ч.

Удельная энергия рекуперации составляет 1,79-3,8, а на горных участках- 12,15-13,15 кВт-ч/тыс. т-км брутто. Каждый киловатт-час этой энергии дает экономию только на тормозных колодках, равную в денежном выражении 0,58 коп. Применение электрического торможения повышает также безопасность движения, позволяет увеличить скорость движения на спусках и массу поездов.

Однако преимущества электрической гяги не означают, что она должна полностью вытеснить другие виды тяги Экономические расчеты показывают, что электрическая тяга наиболее выгодна на грузонапряженных участках, где капиталовложения на нее окупаются за 1-4 года. Следует иметь в виду, что при электрической тяге необходимо сооружать относительно дорогие устройства электроснабжения (тяговые подстанции, контактную сеть) Кроме того, работа электроподвижного состава зависит от исправности устройств электроснабжения Вопрос о применении электрической и тепловозной тяги решают, выполняя специальные расчеты конкретно для каждого полигона с учетом материальных возможностей и денежных ресурсов Электрическую тягу применяют на однопутных линиях, грузонапряженность которых составляет 20-30 млн т-км/км и на двухпутных при грузонапряженности свыше 45 млн т- км/км в обоих направлениях Электрификация железных дорог Советского Союза была начата в 1924 г. с участка Баку - Сабунчи (постоянный ток напряжением 1500 В) и продолжается до сих пор. В первый период на электрифицированных участках эксплуатировались электросекции С^в и Сд, шестиосные электровозы постоянного тока ВЛ19 и С^с отечественного производства (на напряжение 3000 В). По мере расширения полигона электрификации велись разработки и осваивался выпуск электроподвижного состава, более совершенного в техническом отношении Появились шестиосные электровозы постоянного тока ВЛ22, был создан первый электровоз переменного тока ОР22-01 (однофазный с ртутным выпрямителем), освоен серийный выпуск электросекций С^р на два напряжения 1500 и 3000 В и на 3000 В, выпущены электровозы ВЛ22^М, на части которых было осуществлено рекуперативное торможение С начала 50-х годов грузовые магистральные электровозы выпускают Новочеркасский (НЭВЗ) и Тбилисский (ТЭВЗ) электровозостроительные заводы, пассажирские электровозы поставляет в Советский Союз фирма «Шкода» (ЧСФР).

НЭВЗом разработаны и выпущены серийно восьмиосные ВЛ8 и шестиосные ВЛ23 электровозы постоянного тока В основном этот завод специализируется на выпуске электровозов переменного тока. им была выпущена партия опытных шестиосных электровозов ВЛ61 (первое обозначение НО), электровозы ВЛ60", ВЛ60^Р, ВЛ60^И, восьмиосные электровозы ВЛ80, ВЛ80^К, ВЛ80^Т, ВЛ80^С, ВЛвО¹¹ и электровозы двойного питания ВЛ82, В Л 82^м.

С 1985 г. НЭВЗ начал серийно выпускать двухсекционные 12-осные электровозы переменного тока ВЛ85 (рис. 1, табл 1), предназначенные для вождения тяжеловесных грузовых поездов Работа тяговых двигателей электровоза ВЛ85 плавно регулируется выпрямительно-инверторными тиристорными преобразователями (два двигателя на один преобразователь) Электровоз имеет рекуперативное торможение, может работать по системе многих единиц

Тбилисский электровозостроительный завод специализируется на выпуске электровозов постоянного тока - ВЛ10, ВЛ11, ВЛ15

Днепропетровский электровозостроительный завод производит четырехосные промышленные электровозы переменного тока ВЛ41, он выпустил опытные контактно-аккумуляторные электровозы ВЛ62 для работы как на электрифицированных, так и на неэлектрифицирован-ных участках.

Рижские заводы вагоностроительный (РВЗ) и электромашиностроительный (РЭЗ) в 50-х годах строили электросекции Сз постоянного тока на напряжение 3000 В. Этими же заводами выпущены электропоезда постоянного тока ЭР1, ЭР2 и с рекуперативно-реостатным торможением ЭР6, ЭР10, ЭР22, ЭР22М, ЭР22В, ЭР12, ЭР200, ЭР27, ЭР2^Р, а также электропоезда переменного тока ЭР9, ЭР9П, ЭР9М, ЭР9Е и ЭР29. Опытный электропоезд ЭР29 с рекуперативным торможением имеет производительность на 20% выше, чем серийный ЭР9Е. Одновременно на нем на 30-40% снижен удельный расход электроэнергии и резко сокращен (на 80%) расход тормозных колодок. На электрифицированные участки постоянного тока начали поступать электропоезда ЭР2Т (рис. 2, табл. 2).

Рис 1 Электровоз ВЛ85

Рис 2 Электропоезд ЭР2 Г

Заводами РВЗ и РЭЗ построен образец опытного электропоезда ЭРЗО, комфортабельного и экономичного, на котором использованы лучшие узлы электропоезда ЭР29.

Для увеличения провозной способности действующих электрифицированных линий намечено дальнейшее повышение массы поездов, что возможно при работе электровозов по системе многих единиц и повышения их единичной МОЩНОСТИ.

Министерства путей сообщения и электротехнической промышленности разработали типаж перспективных электровозов мощностью при часовом режиме более 10 тыс. кВт. Этим типажом предусмотрено сохранение выпускаемых грузовых электровозов постоянного тока ВЛЮ^У, ВЛ11, переменного тока ВЛвО«, ВЛ80¹⁵, двойного питания ВЛ82^М, пассажирских электровозов ЧС2^Т, ЧС4^Т до освоения выпуска более мощных и совершенных локомотивов, а также использование четырех- и шестиосных секций грузовых электровозов с повышенной осевой мощностью, работающих по системе многих единиц. Благодаря полной унификации выпрямителей и тяговых моторно-осевых блоков в сочетании с телемеханической системой управления, разработанной во Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта, станет возможным формировать, при необходимости сцепы с кратностью в две колесные пары и лучше использовать электровозы

В связи с необходимостью в кратчайшие сроки обеспечить увеличение массы поездов на ряде направлений намечено применять электровозы ВЛ80^С для работы в составе трех и четырех секций, оборудовать аппаратурой телемеханического управления при системе многих единиц (СМЕТ) электровозы ВЛ80^Т в условиях депо.

В качестве перспективных отмечены 12-осные двухсекционные электровозы постоянного тока ВЛ15, а также электровозы переменного тока ВЛ85 с коллекторными и ВЛ86* с бесколлекторными тяговыми двигателями. Все эти электровозы имеют мощность, в 1,5 раза боль шую, чем серийные. Намечен выпуск маневрово-вывозных электровозов ВЛ16 с автономным источником энергии (аккумулятор или дизель) для участков постоянного тока На базе их в последующем предполагается создать электровоз и для линий переменного тока.

Для вождения пассажирских поездов созданы мощные 8-осные двухсекционные электровозы постоянного (ЧС7) и переменного (ЧС8) тока. Они имеют унифицированную механическую часть, их основное электрическое оборудование аналогично используемому соответственно на электровозах ЧС2^Т и ЧС4^Т.

Исходя из прочности стрелочных переводов (рельсы Р65) при прохождении по ним поездов с установленными скоростями, износа рельсов, надежности работы механической части локомотива, необходимого увеличения силы тяги для перспективных грузовых электровозов принята оптимальная нагрузка от колесной пары на рельсы, равная 250 кН (25 тс). Увеличение этой нагрузки не всегда вызывает рост реализуемой силы тяги.

Поэтому принято считать, что для электровозов переменного тока сила тяги часового режима на ось должна составлять 55-65 кН (5,5-6,5 тс), для электровозов постоянного тока - 50-60 кН (5-6 тс). Если скорость на расчетных подъемах не будет превышать 50-55 км/ч, то мощность на ось в часовом режиме составит 950-1200 кВт для электровозов переменного тока и 850-900 кВт - постоянного. После внедрения системы независимого возбуждения тяговых двигателей станет возможным увеличение реализуемой силы тяги на 10% без недопустимого нагрева обмоток двигателей; у электровозов с асинхронными тяговыми двигателями сила тяги на ось достигает 65 кН (6,5 тс), скорость на расчетном подъеме - 60 км/ч.

Характеристики электровозов ЧС7 и ЧС8 в основном зависят от параметров установленных на них тяговых двигателей, аналогичных применяемым на электровозах ЧС2^Т и ЧС4^Т. Однако двигатели электровоза ЧС4^Т существенно модернизированы, в результате чего мощность продолжительного режима на ось электровоза ЧС8 увеличена до 900 кВт при

174,3 кН. Максимальная - 430 кН *⁸ Зоны регулирования скоростей движения, от 0 до 13 км/ч при соединении С, от 13 до 29 км/ч при СП и от 29-46 км/ч при П *⁹ Максимальная скорость допустимая в эксплуатации 160 км/ч. Наименьший радиус кривых, проходимых при скорости 10 км/ч, равен 125 м *" В рабочем положении 5,5-6,8 м. *¹² С № 003

*' Характеристики приведены применительно ко второму ЭР200. *² Наибольшая эксплуатационная скорость 120 км/ч *³ Высота оси автосцепки от уровня головки рельса головного вагона 1070 мм *⁴ Масса без токоприемника, с токоприемником 59,7 т, всех 14 вагонов - 804,4 т *⁶ Расчетный коэффициент загрузки 1,5, т е. все места сидения заняты, а половина этого количества пассажиров стоит. *⁶ Диаметр колеса по кругу катания моторного вагона 1050 мм, прицепных и головных 950 мм.

конструкционной скорости 160 км/ч Предусмотрено на базе тягового двигателя электровоза ЧС6 создать тяговый двигатель мощностью 900 кВт для электровоза ЧС7, для чего снять компенсационные обмотки и снизить частоту вращения в часовом режиме.

Основное направление совершенствования механической части перспективных электровозов - создание привода с рамным подвешиванием тяговых двигателей, так называемого рамного привода. Освоение производства такого привода - задача нелегкая, поэтому привод с опорно-осевым подвешиванием двигателей сохранится до тех пор, пока не будет отработана и освоена технология изготовления рамного привода для электровозов. Рамный привод предполагается устанавливать на перспективных электровозах всех серий. Ходовые части этих электровозов целесообразно формировать из двухосных тележек Однако, учитывая возможные затруднения при создании шестиосного локомотива на трех двухосных тележках, допускают применение трехосных тележек.

В связи с широким использованием для рессорного подвешивания спиральных пружин предполагается устанавливать их в первой ступени, для чего потребуется создать надежный гидравлический амортизатор. Учитывая, что работы только начаты, первоначально в первичном подвешивании вероятнее всего будут использовать листовые рессоры и пружины. При этом большое внимание уделяют применению ходовой части из износостойких материалов, которые исключили бы необходимость восстановления деталей до заводского ремонта Одновременно продолжают совершенствовать кожух зубчатой передачи и его крепления, унифицировать узлы и детали ходовой части.

Чтобы обеспечить вождение поездов массой 8000 т и более, рамы кузовов 6-ос-ных секций (электровозы ВЛ85, ВЛ15, ВЛ86^Ф и др.) рассчитывают на нагрузку 3000 кН (300 тс). Как и у 8-осных электровозов, намечено применять рамы охватывающего типа. Учитывая необходимость значительных затрат на содержание и производство электровозов, на развитие деповской базы, большое внима ние уделяют созданию односекционных 8-осных, в первую очередь пассажирских, электровозов.

До перехода на односекционные пассажирские 8-осные электровозы предусматривается совершенствование механической части двухсекционных 8-осных электровозов на основе экипажа электровозов ЧС6 и ЧС200: применение более надежных гидравлических амортизаторов, двухрядных пружин и резинометаллических блоков в буксовом узле и подвешивании редуктора, улучшение конструкции тягового привода

Первоочередной задачей совершенствования тяговых двигателей является создание на базе двигателей НБ-418К6 и ТЛ-2К1 новых, имеющих более высокие вращающие моменты и не уступающих прежним по скоростным характеристикам. Разработаны двигатели НБ-514 и ТЛ-ЗБ для 12-осных электровозов ВЛ85 и ВЛ15 В последующем будут созданы с рамным подвешиванием тяговые двигатели постоянного тока мощностью более 800 кВт, пульсирующего тока мощностью 900 кВт Прототипом их служат двигатели, установленные на двух опытных электровозах ВЛ84.

Намечено шире применять влагостойкую монолитную изоляцию. Осваивается термостойкое соединение пластин коллектора с секциями обмотки якоря, динамически устойчивая конструкция коллектора, в которой отсутствуют силы арочного распора. Последнее не только повысит коммутационную устойчивость тяговых двигателей, но и позволит избежать переборки и подтяжки коллекторов.

Предполагается сократить сроки внедрения асинхронных машин, создания надежных силовых преобразователей и аппаратуры управления на базе микроэлектроники. Применительно к пассажирским электровозам работы пройдут в две стадии, вначале, внеся ряд усовершенствований, повысят мощность существующих машин до 900 кВт, затем установят бесколлекторные двигатели, в первую очередь на электровозах постоянного тока.

Для улучшения энергетических показателей вспомогательных машин грузоных электровозов и повышения их надежности намечено усовершенствовать конст рукцию и технологию изготовления электродвигателей АЭ-92-402, а в последующем перейти на двигатели повышенной мощности АНЭ-225 (электровозов ВЛ85) Оба двигателя намечено использовать для привода вентиляторов, компрессоров и в качестве расщепителей фаз. Не исключено, что в целях сокращения расхода электроэнергии будет создан специальный двигатель, имеющий две частоты вращения для привода вентиляторов - в летнем и зимнем режимах.

Чтобы повысить мощность и надежность вспомогательных машин, снизить удельный расход электроэнергии на вентиляцию электровозов постоянного тока, прорабатывают переход на электродвигатели постоянного тока напряжением 440 В, питаемых от статического преобразователя. Потери в таком двигателе компенсируются экономией, обусловленной регулированием подачи вентиляторов в зависимости от температуры нагрева тяговых двигателей. Статический преобразователь планируют также использовать для питания обмоток возбуждения тяговых двигателей в режиме тяги прн независимом возбуждении. Это позволит предотвратить боксование колесных пар и сократить расход песка

Ведутся разработки надежных, имеющих оптимальные параметры тиристорных преобразователей; в них используются полупроводниковые приборы, рассчитанные на большие предельные токи, повторяющиеся напряжения В первую очередь намечено применить унифицированные преобразователи, создаваемые на базе преобразователя электровоза ВЛ80^Р с использованием тиристоров, повторяющее напряжение которых 3 кВ, длительный ток 500 А. Это позволяет в 1,5 раза уменьшить габаритные размеры преобразователей, сохранив запасы по току и напряжению и улучшив энергетические показатели. Во вторую очередь предусмотрено совершенствование унифицированных преобразователей путем использования компенсаторов мощности, применения более эффективных охладителей. Так, на восьмой серии электровозов ЧС4^Т (62Е8) и 8-осных электровозах ЧС8 устанавливают преобразователи на диодах 40-го класса, что значительно упрощает их обслуживание, по вышает ремонтопригодность и надежность выпрямителей. В дальнейшем на этих электровозах будут применены тиристорные преобразователи, что позволит перейти к бесконтактным силовым схемам и исключить коммутационную аппаратуру.

Продолжаются работы по совершенствованию электронных систем управления преобразователями и электровозом в целом. На электровозах ВЛ80^С, ВЛ10^У, ЧС2^Т, ЧС4^Т, ЧС6 и ЧС200 широко применяют автоматизированные системы управления отдельными режимами, в первую очередь реостатным и рекуперативным торможением. Применение тиристорных преобразователей позволит автоматизировать управление электровозами и в тяговом режиме.

Ведутся работы по автоматическому управлению вентиляцией в зависимости от нагрузки и температуры окружающего воздуха или температуры обмоток тяговых двигателей, будут модернизированы главные и быстродействующие выключатели с применением в них вакуумных камер, разработаны быстродействующие приводы, разрядники, высоконелинейные резисторы, тяговые трансформаторы с использованием электротехнической стали, имеющей уменьшенные удельные потерн. Для ускорения поиска неисправностей в электрических цепях на электровозах намечено устанавливать специальные диагностические устройства.

На основе созданной во ВНИИЖТе телемеханической системы управления при работе по системе многих единиц намечено внести существенные изменения в управление электровозами постоянного тока.

В связи с вождением тяжеловесных и длинносоставных поездов должна быть обеспечена возможность асинхронного автономного управления ведомым электровозом, находящимся в хвосте поезда, по радиоканалу: из опыта вождения поездов с дополнительным электровозом в хвосте поезда в режимах тяги и торможения известно, что этот локомотив не может работать синхронно с головным, как при управлении по системе многих единиц. Это же относится и к сочлененным поездам с электровозами, расположенными в середине состава.

Для улучшения условий труда локомотивных бригад планируют в кабинах машиниста устанавливать кондиционеры, разработать специальные устройства защиты, предотвращающие травмы машиниста и его помощника при столкновениях, увеличить объем кабины не менее чем на 25% по сравнению с ее объемом на серийных электровозах.

Перспективы развития пригородных электропоездов сводятся, во-первых, к продолжению выпуска электропоездов ЭР200 с узлами, усовершенствованными по результатам многолетних испытаний опытного электропоезда ЭР200 № 1. Так, на электропоезде ЭР200 № 2 применена новая рама тележки, имеющая повышенную усталостную прочность отдельных узлов, установлены модернизированные тиристорные регуляторы, позволяющие повысить реализуемую мощность моторного вагона и обеспечить требуемую надежность. Кроме того, создают принципиально новые образцы электрооборудования: импульсные преобразователи для безреостатного пуска и рекуперативного торможения тяговых двигателей постоянного тока, тиристорные выпрямители, преобразователи для тягового привода с асинхронными двигателями, преобразователи для питания вспомогательных машин. Все это позволит исключить потери электроэнергии при реостатном пуске и торможении, которые достигают 25% потребления ее на тягу, а также улучшить тягово-энергетические и регулировочные характеристики электропоездов, упростить техническое обслуживание электрооборудования в эксплуатации.

За рубежом намечается переход от выпуска опытных партий новых электропоездов к освоению их серийного производства. Так, в Японии серийно выпускают электропоезда с импульсным регулированием, проводится модернизация ранее выпущенных поездов с контактнореостатным управлением. Партии электропоездов с импульсным регулированием, насчитывающие сотни моторных вагонов, выпущены в Англии, Бельгии, Франции, Италии, США, ФРГ. В ФРГ и Швеции изготовлены также опытные партии моторных вагонов с асинхронными тяговыми двигателями.

Соответствующие разработки ведутся и в нашей стране. Для снижения затрат времени и средств на освоение новой техники разрабатывают оптимальные очередности работ, чтобы обеспечить преемственность результатов, полученных на отдельных их этапах. Конечной целью следует считать создание электропоезда с асинхронными тяговыми двигателями, наиболее полно удовлетворяющего требованиям эксплуатации по тягово-энергетическим характеристикам, надежности и ремонтопригодности.

Комплексное решение проблемы перехода на асинхронный тяговый привод должно также включать модернизацию эксплуатируемых электропоездов. Например, их тележки не приспособлены для установки асинхронных тяговых двигателей. Поэтому для электропоездов постоянного тока первый этап работ целесообразно начать с внедрения системы импульсного регулирования, состоящей из собственно импульсного регулятора и входного фильтра при сохранении тяговых двигателей постоянного тока. Это возможно осуществить путем модернизации эксплуатируемых -электропоездов на ремонтных заводах. Поскольку выпускаемые ранее тяговые двигатели (в основном типа УРТ-110) на электрическое торможение не рассчитаны, то модернизацию целесообразно проводить по упрощенной схеме, т. е. вначале с импульсным регулированием только в режиме пуска, что обеспечит снижение расхода энергии на 10-12%; затем с безреостатным пуском и электрическим торможением, что даст экономию около 20-26% энергии. На данном этапе возможен выпуск поездов только с безреостатным пуском, поскольку получаемая от этого экономия энергии окупает удорожание электрооборудования. Такие поезда наиболее целесообразно эксплуатировать на пригородных участках с параллельным графиком движения, где скорость начала торможения сравнительно невелика - от 25 до 40 км/ч. В то же время для участков с зонным графиком движения, где скорость начала торможения составляет 60- 80 км/ч нужен поезд с рекуперацией.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОВОЗАХ И ЭЛЕКТРОПОЕЗДАХ