Локомотивы и вагоны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Среди всех видов транспорта железнодорожный транспорт занимает особое место. Он незаменим при транспортировке массовых грузов на большие расстояния, при перевозке огромного числа пассажиров, особенно, в пригородных зонах больших городов. Железнодорожный транспорт не ограничен сезонностью и может перевозить любые грузы - твердые, жидкие, сыпучие, скоропортящиеся, штучные.

В настоящее время в условиях рынка для конкуренции с другими видами транспорта необходимо увеличение рентабельности перевозок при жесткой экономии топливоэнергетических ресурсов и высокой производительности.

Ежегодно на тягу поездов расходуется около 18 % дизельного топлива и 4,5 % электроэнергии от общего их производства, причем, их основная доля приходится на грузовое движение.

Масса и скорость поездов определяют производительность локомотивов. Эти показатели тесно связаны с пропускной и провозной способностями железных дорог, участковой скоростью, среднесуточным пробегом и оборотом подвижного состава, а также потребным парком локомотивов и вагонов для освоения объема перевозок.

От степени использования мощности локомотивов и их тягово-экономических показателей (средней массы поезда, скорости, расхода электроэнергии или топлива, КПД) зависят результирующие показатели работы железных дорог, такие, как эксплуатационные расходы, себестоимость перевозок и производительность труда.

К подвижному составу железнодорожного транспорта относятся локомотивы и вагоны.

Сцепленные между собой вагоны образуют состав. При сцеплении состава с локомотивом получается поезд.

1. Виды тяги и их технико-экономическое сравнение

В зависимости от типа локомотива различают и виды тяги. При паровой тяге поезда обслуживаются паровозами; при тепловой тяге - тепловозами, в пригородном сообщении - дизельпоездами; при электрической тяге - электровозами, в пригородном сообщении - электропоездами. Паровоз, тепловоз, дизельпоезд - это автономные локомотивы.

Несмотря на привязанность к линиям электропитания, электрическая тяга имеет ряд преимуществ:

1. Мощность тяговых двигателей электровоза неограниченна мощностью источника энергии. Поэтому, при равном и даже меньшем весе, электровоз развивает бо?льшую силу тяги и ведет поезд с более высокой скоростью, отсюда:

2. Пропускная способность (количество поездов в единицу времени) возрастает на 30ч50% по сравнению с паровой тягой, а провозная способность (количество тонн перевезенного груза в единицу времени) возрастает в 1,5ч2 раза.

3. К.П.Д. составляет ? 23 % (при тепловой тяге ? 19 %, при паровой тяге ? 3ч4 %).

4. Электроподвижной состав устойчиво работает в зимних условиях.

5. Более высокая культура в производстве.

6. Возможна работа по системе многих единиц (на тепловозах и дизельпоездах она ограничена необходимостью контроля за работой дизель-генераторных установок в противопожарном отношении).

7. Сравнительно низкие расходы на ремонт и эксплуатацию.

8. Возможность применения рекуперации (передача электроэнергии от электровоза в контактную сеть).

9. Простота управления, быстрая смена направления движения.

Однако электрическая тяга имеет ряд недостатков:

1. Большой расход цветного металла.

2. Работа электроподвижного состава зависит от состояния контактной сети, тяговых подстанций, электростанций.

3. Требуются дополнительные капитальные затраты на строительство электростанций, тяговых подстанций и сооружений контактной сети, но они окупаются за 2ч4 года.

2. Общие понятия о подвижном составе

Вагоны и локомотивы между собой соединяются автосцепками, которые обеспечивают автоматическое сцепление при сближении единиц подвижного состава и ручное расцепление при повороте рычага расцепного привода. При осмотре поезда необходимо обращать внимание на положение рычага расцепного привода - он должен занимать вертикальное положение. В противном случае при повороте рычага за счет какого-либо постороннего воздействия произойдет расцепление. Допускается разница по высоте двух сцепленных автосцепок до 100 мм. При большей разнице также может произойти расцепление автосцепок. Изменение высоты расположения автосцепки может произойти из-за изменения загрузки вагона или из-за износа колес колесных пар, при просадке железнодорожного полотна.

Подвижной состав на рельсы опирается через колесные пары. Колесная пара состоит из оси и насаженных на ее двух колес. Каждое колесо с внутренней стороны имеет гребень, обеспечивающий направление колесной пары по рельсовой колее и исключающий сход колесной пары с рельсов. Поверхность катания колеса, через которую колесо опирается на рельс, имеет коническую поверхность в сторону оси пути, которая обеспечивает самоцентрирование колесной пары при прохождении по прямому участку пути и уменьшает проскальзывание колеса, идущего по внутреннему рельсу при прохождении кривых участков пути.

На каждый конец оси колесной пары через подшипники насаживается букса, а на ее через рессорное подвешивание опирается рама тележки. А на две или более тележек опирается кузов единицы подвижного состава.

Рессорное подвешивание смягчает удары, передаваемые на кузов со всем в нем содержащимся, возникающие при движении по рельсовой колее. Рессорное подвешивание может состоять из листовых рессор или цилиндрических пружин, а может быть и комбинированным. В листовой рессоре смягчение ударов происходит за счет трения между листами, а в цилиндрической пружине - за счет упругости - за счет скручивания в каждом сечении стального прутка, из которого изготовлена пружина.

Тележки подвижного состава могут быть двух-, трех-, четырехосными.

3. Вагоны

Вагоны подразделяются на грузовые и пассажирские. К грузовым вагонам относятся крытые вагоны, полувагоны, платформы, цистерны, изотермические и вагоны специального назначения для перевозки определенных видов грузов (цементовозы, хоппердозаторы для перевозки щебня, транспортеры, специализированные цистерны, вагоны для технических нужд, перевозки скота, живой рыбы и др.).

В основном, вагоны четырехосные, имеют по две двухосные тележки. Могут быть и восьмиосными, реже шестиосными и многоосными.

Пассажирские вагоны характеризуются количеством посадочных мест, грузовые - грузоподъемностью, которая в среднем составляет 65 тонн.

4. Принцип работы пневматических тормозов

Под кузовом вагона располагается автотормозное оборудование: под вагоном проходит пролетная труба, которая с помощью резиновых рукавов соединяется с пролетными трубами соседних вагонов; запасные резервуары, воздухораспределители, тормозные цилиндры, рычажные передачи и тормозные колодки, которые при торможении прижимаются к ободам колес колесных пар, замедляя вращение колес. Во время движения пролетные трубы и запасные резервуары под вагонами заполнены воздухом под давлением между 5 и 6 кг/см², который различный у пассажирских и грузовых поездов.

При торможении воздух из пролетных труб выпускается в атмосферу, после чего под каждым вагоном срабатывает воздухораспределитель, перепуская воздух из запасного резервуара в тормозные цилиндры. В каждом тормозном цилиндре под действием воздуха перемещается поршень, сжимая пружину и через рычаги, прижимая тормозные колодки к ободу колеса колесной пары.

Для отпуска тормозов пролетные трубы заполняются вновь сжатым воздухом. И вновь срабатывает воздухораспределитель, но уже заполняя запасный резервуар сжатым воздухом и сообщая тормозные цилиндры с атмосферой. В тормозном цилиндре под действием оттормаживающей пружины поршень перемещается и через рычаги отводит тормозные колодки от обода колеса колесной пары.

Тормоза называются автоматическими, т.к. при любом нарушении целостности цепи пролетных труб (при механическом повреждении, при разъединении резиновых рукавов и т.д.) в случае выхода воздуха в атмосферу тормоза срабатывают на торможение.

5. Принципы работы локомотивов

Паровоза - при сжигании твердого топлива в топке газы проходят через жаровые и дымогарные трубы и выбрасываются в выхлопную трубу. Вокруг жаровых и дымогарных труб пространство заполнено водой. Перегретый пар собирается в верхней части парового котла, откуда под давлением поступает в цилиндры паровой машины. Из-за изменения направления подачи пара к поршню в паровой машине с одной или с другой стороны поршень и вместе с ним соединительный ползун совершают возвратно-поступательное движение. От ползуна через кривошипно-шатунный механизм колесные пары совершают вращательное движение.

У паровоза низкий КПД (5-7 %) из-за значительных потерь тепла в окружающую атмосферу.

Тепловоза - в качестве силовой энергетической установки используются двигатели внутреннего сгорания - дизели (Дизель Рудольф - немецкий ученый - изобретатель). В дизеле в отличие от карбюраторных двигателей топливо в мелкораспыленном виде воспламеняется не от искры электрической свечи, а от высокой температуры предварительно сжатого воздуха в цилиндре.

Принцип работы четырехтактного дизеля.

Рассмотрим процесс преобразования тепловой энергии, полученной от сгорания топлива в цилиндре дизеля, в механическую работу для вращения вала двигателя:



1.Цилиндр дизеля. 5.Коленчатый вал.

2. Поршень. 6.Впускной клапан.

3.Шатун. 7.Форсунка.

4.Кривошип. 8.Выпускной клапан.

При вращении коленчатого вала через кривошипно-шатунный механизм поршень в цилиндре будет совершать возвратно-поступательное движение.

При ходе поршня вниз открывается впускной клапан, и воздух от воздушного нагнетателя поступает в цилиндр. Проходит первый такт. При смене направления движения поршня наступает второй такт. Впускной клапан закрывается, и воздух в цилиндре сжимается. При подходе поршня к верхней точке температура воздуха из-за сжатия достигает 600-650^оС. В конце сжатия воздуха через форсунку в мелкораспыленном виде под давлением вспрыскивается дизельное топливо, и оно воспламеняется. При сгорании топлива в течение короткого времени выделяется большое количество газов с высокой тепловой энергией. Газы давят на поршень, и поршень перемещается вниз - рабочий ход или третий такт. В конце рабочего хода открывается выпускной клапан и через него при перемещении поршня вверх газы выбрасываются в атмосферу - четвертый такт. В верхнем положении поршня выпускной клапан закрывается, впускной открывается и цикл повторяется

Принцип работы двухтактного дизеля.

1.Цилиндр дизеля. 5.Коленчатый вал.

2.Поршень. 6.Впускные окна.

3.Шатун. 7.Форсунка.

4.Кривошип. 8.Выпускные клапана.

При ходе поршня вверх выпускные клапана закрываются, и в цилиндре поступивший воздух через впускные окна сжимается - первый такт. При подходе поршня к верхней точке через форсунку впрыскивается дизельное топливо и воспламеняется. Образовавшиеся газы давят на поршень и перемещают его вниз - рабочий ход или второй такт. При опускании поршень открывает впускные окна и в этот же момент открываются выпускные клапана. Поступающим воздухом происходит продувка и очистка цилиндра от отработанных газов. Затем поршень перемещается вверх, выпускные клапана закрываются и т.д.

Перед подачей в цилиндр воздух сжимается в нагнетателе до 1,53,0 кГс/см². Этот процесс называется наддув. В случае подачи воздуха в цилиндр под давлением поступает большее количество воздуха, и мощность дизеля увеличивается в 1,52,0 раза.

На транспорте и в народном хозяйстве широко применяют четырехтактные и двухтактные дизели. Какой из них лучше - до сих пор спорят и специалисты. В мировой практике 6570 % четырехтактных дизелей, остальные двухтактные. На современных тепловозах, в основном, применяются четырехтактные дизели.

В дизеле несколько цилиндров (от 6 до 20). У коленчатого вала кривошипы или колена друг относительно друга смещены на угол 120^о. При таком расположении в одном цилиндре происходит первый такт, в другом - второй, в третьем - третий, в четвертом - четвертый. При соответствующем переключении впускных и выпускных клапанов происходит непрерывное вращение коленчатого вала. От коленчатого вала вращение передается на якорь генератора на тепловозах с электрической передачей; или через гидромуфту, или гидротрансформатор на колесные пары на тепловозах с гидропередачей; или через муфту, зубчатую передачу на колесные пары на тепловозах с механической передачей. От другого конца коленчатого вала вращение передается на привод масляного насоса, вспомогательных агрегатов. Имеется редуктор для привода распределительного вала с кулачками для открытия впускных и выпускных клапанов, для впрыска топлива в форсунки в определенной последовательности по цилиндрам дизеля.

Системы дизеля:

1. Топливная система - бак, емкостью 60007000 литров; трубопроводы с фильтрами, топливоподкачивающие насосы, насосы высокого давления.

2. Система воздухоснабжения - для подачи воздуха в цилиндры, чтоб обеспечить более полное сгорание кислорода в воздухе; воздухозаборники, фильтры, нагреватели.

3. Водяная система - для охлаждения стенок цилиндров, нагреваемых при сгорании топлива; водяные полости вокруг цилиндров; радиаторы, охлаждаемые воздухом.

4. Масленая система - маслопроводы, маслопрокачивающие насосы, фильтры грубой и тонкой очистки.

Для запуска дизеля подключается аккумуляторная батарея, включают маслопрокачивающий насос, топлиподкачивающий насос, подключают стартер-генератор к аккумуляторной батарее, который раскручивает коленчатый вал дизеля. После запуска дизеля стартер-генератор отключается от аккумуляторной батареи и к нему подключаются вспомогательные цепи. Так, например, происходит запуск дизеля на тепловозе 2ТЭ116. На других тепловозах могут быть и отличия.

Способы передачи мощности от вала дизеля к колесным парам:

1. Механическая - коленчатый вал дизеля соединяется с колесными парами через муфты, зубчатые редукторы, карданные валы, осевые редукторы. Зубчатый редуктор должен быть многоступенчатым, называемый коробкой перемены передач. Муфты сцепления фрикционные или магнитные. Передача простая, имеет высокий К.П.Д. Но непригодна для передачи больших мощностей (более 500700 кВт), т.к. коробку перемены передач необходимо выполнять большими габаритами и зубчатые колеса быстрее будут изнашиваться. Может применяться на некоторых дизельпоездах, мотовозах, автомотрисах, дрезинах.

2. Гидравлическая - коленчатый вал дизеля соединяется с колесными парами через гидротрансформатор или гидромуфту, карданные валы, осевые редукторы. Вал дизеля соединяется с насосным колесом гидромуфты, расположенного в замкнутом корпусе, называемый колоколом. Рядом с насосным колесом в колоколе расположено турбинное колесо, закрепленное на валу, который может вращаться в подшипниках, закрепленных в колоколе. От вала вращение будет передаваться на карданные валы и далее через осевые редукторы к колесным парам. Насосное и турбинное колеса представляют собой чашеобразные диски с закрепленными в них радиальными лопатками. Если колокол не заполнен жидкостью, то при вращении насосного колеса турбинное колесо не будет вращаться. При заполнении колокола маслом вращающееся насосное колесо своими лопатками захватывает поток масла и отбрасывает его на лопатки турбинного колеса, которое будет вращаться в том же направлении, что и насосное колесо. При гидравлической передаче на тепловозах использование простой гидромуфты не приемлемо, т.к., например, при трогании с места сопротивление вращению турбинного, а значит и насосного колеса велико, дизель начнет перегружаться, частота вращения коленчатого вала будет уменьшаться, и дизель может заглохнуть. По мере увеличения скорости движения вращающийся момент турбинного и, значит, и насосного колеса будет падать, т.е. нагрузка дизеля уменьшится. В гидротрансформаторе между насосным и турбинным колесами размещен неподвижный ряд лопаток, соединенных с корпусом. Тогда поток масла, покидающий турбинное колесо будет направляться на лопатки насосного колеса под одним и тем же постоянным углом. Этот ряд неподвижных лопаток называется направляющим аппаратом. Он позволяет насосному колесу, а значит, и дизелю нагружаться одинаковым (постоянным) моментом независимо от внешней нагрузки. Благодаря направляющему аппарату турбинное колесо получает возможность вращаться с малой частотой, преодолевая большой момент сопротивления, а дизель при этом работает с постоянной нагрузкой.

Как правило, в гидравлических передачах используются оба типа гидроаппаратов расположенных в одном корпусе. При трогании и разгоне заполняют маслом гидротрансформатор, затем после достижения достаточной скорости гидротрансформатор опоражнивают и заполняют маслом гидромуфту. Гидравлические передачи по сравнению с электрическими передачами имеют меньшие габариты, меньшие вес, стоимость на единицу мощности и малый расход цветных металлов. Но К.П.Д. ниже (примерно на 5 %), чем при электрической передаче. Гидравлические передачи применяют на маневровых, промышленных тепловозах и дизельпоездах.

3. Электрическая - коленчатый вал дизеля через муфту соединяется с якорем генератора, от которого получаемое электрическое напряжение подается на электродвигатели, якоря которых через зубчатые передачи передают вращение на колесные пары. Каждая колесная пара имеет индивидуальный электродвигатель. При электрической передаче обеспечивается плавное изменение вращающего момента на колесных парах при постоянстве момента на валу дизеля, причем, это обеспечивается автоматически. Электрическая передача позволяет управлять из одной кабины несколькими локомотивами, отключать и включать под нагрузку в нужный момент электродвигатели, реверсировать тепловоз без изменения направления вращения вала дизеля.

Электрические передачи на тепловозах.

1. Постоянного тока, когда генератор и электродвигатели постоянного тока; передача простая и высокий к.п.д.

2. Постоянно-переменноготока, когда синхронный генератор переменного тока, а электродвигатели постоянного тока; необходима выпрямительная установка; применяется на тепловозах мощностью более 3000 кВт, так как при такой мощности генератор постоянного тока имел бы бо?льшие габариты и увеличилось бы искрение под щетками на коллекторе.

3. Переменно-переменного тока, когда генератор и электродвигатели переменного тока; электрические машины переменного тока проще по конструкции, более надежные в эксплуатации, проще в ремонте; регулирование скорости движения выполняется изменением частоты переменного тока, поэтому необходимы специальные преобразователи частоты; применяется на некоторых опытных тепловозах.

Газотурбовоза - при сгорании топлива (нефти, мазута) в огневых коробках газотурбинного двигателя мощный поток горячих газов попадает на лопатки газовой турбины, вал которой соединен с электрическим генератором, от которого электрическое напряжение подается на электродвигатели, которые через зубчатые передачи вращают колесные пары. Имеется компрессор для подачи воздуха в камеры сгорания и для разбавления горячих газов, имеющих температуру около 2000^оС, чтобы на лопатки турбин смесь газов с воздухом поступала с температурой не более 800^оС (иначе не выдержат лопатки турбины по жаропрочности). Пока газотурбовозы выполнены как опытные образцы.

Электровоза - при подаче электрического напряжения по подвешенному над железнодорожной колеей контактному проводу и рельсу и при соответствующем его преобразовании на электродвигатели, которые через зубчатые передачи передают вращение на колесные пары. В зависимости от подаваемого напряжения электровозы подразделяются на электровозы постоянного тока с номинальным напряжением в контактной сети 3000 В и на электровозы переменного тока с номинальным напряжением в контактной сети 25000 В, и на электровозы двойного питания, способные работать как от контактной сети постоянного тока с напряжением 3000 В, так и от контактной сети переменного тока с напряжением 25000 В.

тяга состав локомотив дизель

6. Осевые формулы локомотивов

По осевой формуле определяется количество секций локомотива, число и тип тележек, способ передачи тяговых и тормозных усилий, количество движущих и бегунковых колесных пар, наличие индивидуального или группового привода.

Например: 2 (2_о+2_о) или 2_о+2_о+2_о+2_о - локомотив восьмиосный с четырьмя сочленными двухосными тележками (знак "+"), колесные пары имеют индивидуальный привод (знак "0") - это осевая формула электровоза ВЛ8. У тепловоза ТЭМ 7 осевая формула 2_о+2_о-2_о+2_о - локомотив восьмиосный с двумя раздельными (знак " - ") четырехосными тележками, состоящими из двух спаренных двухосных. Для тепловоза 3ТЭ10М - 3 (3_о-3_о) - локомотив трехсекционный, каждая секция имеет по две трехосные несочленные тележки. Для электровоза ВЛ15 и электровоза ВЛ85 - 2(2_о-2_о-2_о) - локомотив двухсекционный, каждая секция имеет по три двухосные несочленные тележки, колесные пары имеют индивидуальный привод. Если тележки несочленны, то тяговые и тормозные усилия от колесных пар на состав передаются через рамы тележек на раму кузова и далее через автосцепки.

Для нетележечных локомотивов в осевой формуле последовательно перечисляется число бегунковых и движущих колесных пар. Например, для паровоза 1-3-1 или для тепловоза ТГМ23 0-3-0 - нет бегунковых колесных пар, три ведущие колесные пары имеют групповой привод.

7. Принципиальная схема электроснабжения

Обеспечивается комплексное электроснабжение железных дорог, промышленности, сельского хозяйства. Электроэнергия вырабатывается тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями, которые включаются в единую энергосистему.

8. Внешнее электроснабжение

Трехфазные генераторы на электростанциях вырабатывают электроэнергию напряжением 6,3; 10,5 и до 24 кВ. Для получения более высокого напряжения генератор будет иметь большие габариты. С помощью трансформатора на электростанции напряжение повышается до 35, 110, 220, 330, 550 кВ и подается в линии электропередач (ЛЭП). Передача электроэнергии на расстояния высоким напряжением происходит при малых токах (мощность Р=U*I). При этом можно использовать провода ЛЭП меньшего сечения, экономия металла, уменьшаются потери напряжения в ЛЭП. При передаче электроэнергии более высоким напряжением увеличивается стоимость ЛЭП из-за применения усиленной изоляции и в районах с повышенной влажностью между проводами воздух теряет диэлектрические свойства. Выполнялись опытные ЛЭП до 1500 кВ. ЛЭП выполняется двумя параллельными трехфазными линиями.

Электростанции вырабатывают переменное напряжение промышленной частоты 50 Гц. Почему переменное напряжение?

1.Переменное напряжение трансформируется.

2.В качестве электроприводов в промышленности, сельском хозяйстве используются, в основном, электродвигатели переменного тока.

3.Электрические машины переменного тока (как генераторы, так и двигатели) проще по конструкции, надежные в работе, более простые и доступные в ремонте.

Напряжение по ЛЭП поступает к каждой районной подстанции от двух электростанций. На районной подстанции с помощью трансформаторов напряжение понижается для близко расположенных потребителей до 6 или 10 кВ, для дальних потребителей - до 35 кВ. В указанной выше схеме напряжение 10 кВ подводится к понизительным подстанциям также с двух сторон для обеспечения непрерывного снабжения электрической энергией потребителей первой категории, для которых не допускается даже кратковременный перерыв в подаче электрической энергии.

От ЛЭП напряжение подается на тяговую подстанцию и далее для электрификации железной дороги.

9. Общие сведения о тяговом электроснабжения

Схемы тягового электроснабжения

а) на переменном токе

б) на постоянном токе

Подразделение на систему постоянного и систему переменного тока определяется видом тока в контактной сети.

Напряжение по двухпроводной трехфазной системе подается от ЛЭП на опорную тяговую подстанцию и от нее без изменения величины напряжение подается на промежуточные тяговые подстанции. Количество промежуточных тяговых подстанций между опорными тяговыми подстанциями определяется величиной напряжения в ЛЭП. Например, при напряжении 110 кВ количество промежуточных тяговых подстанций не более трех, при напряжении 220 кВ - не более пяти при системе переменного и постоянного тока.

Как правило, на тяговую подстанцию напряжение подается с двух сторон (за исключением тупиковой тяговой подстанции) по двухцепной или по одноцепной ЛЭП. Промежуточные тяговые подстанции подразделяются на транзитные и на ответвлениях.

Тяговые подстанции опорные, промежуточные, тупиковые имеют, в основном, одно и тоже оборудование.

На вводах и выводах устанавливаются быстродействующие выключатели: в электрических цепях переменного тока типа ГВ с воздушным дугогашением; в электрических цепях постоянного тока - типа БВ с магнитным дугогашением. Также, в электрических цепях переменного тока могут использоваться масляные, газовые, вакуумные выключатели.

На тяговой подстанции постоянного тока может проводиться двойная трансформация напряжения для того, чтобы меньшее оборудование изолировать на высокое напряжение. Затем напряжение преобразуется в постоянное по направлению с помощью выпрямителей и в постоянное по величине с помощью реакторов. И напряжение 3,3 кВ подается в контактную сеть. Величина напряжения ограничена величиной номинального напряжения тяговых двигателей - 1500ч1600 В. На большее напряжение тяговые двигатели не выполняются из-за стесненности габаритов. На высоких позициях тяговые двигатели включаются в параллельные ветви и в каждой ветви по два двигателя последовательно. В качестве тяговых двигателей используют двигатели постоянного тока, т.к. они легко начинают работать под нагрузкой и имеют простой способ регулирования частоты вращения якоря, а, следовательно, и скорости движения путем включения последовательно с двигателем реостата. При изменении величины сопротивления реостата изменяется и частота вращения якоря, а значит, и скорость движения.

Система постоянного тока.

Сравнительно низкое напряжение 3,0 кВ в контактной сети вынуждает работать с большими токами в контактном проводе (Р=U*I), а отсюда необходимо увеличить сечение контактного провода (используются два параллельно-проходящих провода, при этом увеличивается поверхность охлаждения); увеличивается расход цветного метала; необходимо увеличивать жесткость опор; увеличиваются потери напряжения в контактной сети, что компенсируется постановкой тяговых подстанций через 15ч20 км (да и сами подстанции сложнее по оснащенности). При такой системе затруднено электроснабжение не тяговых потребителей.

Преимуществами данной системы можно считать более простую конструкцию электровоза, и не требуется усиленная изоляция.

Воздушный промежуток служит для разделения подачи напряжения через фидеры тяговой подстанции или от тяговых подстанций.

Система переменного (однофазно-постоянного) тока.

Напряжение в контактной сети 27,5 кВ, в результате чего меньшая величина тока в контактной сети (P=U*I), меньшее сечение контактного провода, меньший расход цветного металла, меньшая жесткость опор, меньшие потери напряжения в контактной сети, поэтому тяговые подстанции устанавливаются через 50ч100 км (это зависит от профиля пути, от грузонапряженности), да и тяговые подстанции проще по оснащенности. При данной системе возможна электрификация не тяговых потребителей.

Недостатками данной системы можно считать более сложную конструкцию локомотива, выполнение усиленной изоляции и создаются помехи для линий связи.

10. Общие сведения о конструкции контактной сети

Виды контактных подвесок.

I. В зависимости от допустимой скорости движения подвески делятся на:

1. простая или трамвайная - не допускает больших скоростей движения из-за большой стрелы провеса; для уменьшения стрелы провеса уменьшают длину пролета, устанавливают чаще опоры. Применяется на второстепенных путях и в искусственных сооружениях (в тоннелях, под арками мостов и т.д.).

2. Цепная, делится на три вида:

Рессорная цепная подвеска допускает скорость движения до 160 км/ч.

II. В зависимости от способа закрепления проводов на анкерных опорах подвески делятся на:

1. Некомпенсированная, когда несущий трос (н.т.) и контактный провод (к.п.) жестко крепятся к опоре. При этом требуется посезонная регулировка натяжения проводов.

2. Полукомпенсированная, когда н.т. крепится жестко к опоре, а к.п. - через компенсатор.

При двухблочном компенсаторе массу груза уменьшают в 2 раза, при трехблочном в 4 раза. Но перемещение груза при этом будет больше.

3. Компенсированная, когда н.т. и к.п. крепятся через компенсатор.

Подбором длин плеч коромысла достигается необходимое соответствие натяжений н.т. и к.п.

В случае гололеда удобнее полукомпенсированная подвеска, т.к. из-за большей массы увеличивается натяжение несущего троса и уменьшается стрела провеса.

При компенсированной подвеске натяжение постоянное и при гололеде стрела провеса увеличивается и ухудшается токосъем.

III. В зависимости от взаимного расположения проводов в плане (вид сверху) подвески делятся на:



Для равномерного износа накладок полоза токоприемника контактный провод вдоль оси пути располагается зигзагообразно со смещением от оси пути на 300 мм, в кривых участках пути - до400 мм.

Анкеровка и секционирование контактной сети.

Для удобства монтажа и демонтажа провода контактной сети монтируются в виде отдельных анкерных участков, которые между собой механически не соединяются, а соединяются электрически медными гибкими шунтами. Так как наибольшее число повреждений контактной сети происходит на станциях, то контактная сеть станции выполняется в виде отдельных анкерных участков. Таким образом, контактная сеть получается секционированной. Секционирование выполняется с помощью разъединителей, которые устанавливаются на опорах.

Различают продольное и поперечное секционирование контактной сети. Под продольным секционированием понимается разделение питания контактной сети станции и контактной сети перегонов. Под поперечным секционированием понимается разделение питания контактной сети отдельных путей станции или отдельных путей перегонов. Перед каждой станцией имеется воздушный промежуток. На опорах, ограничивающих воздушный промежуток, имеются черно-белые полосы.



Ф₁-Ф₆ - фидерные разъединители.

Н₁, Н₂ - разъединители нейтральных вставок.

П₁, П₂ - поперечные разъединители.

В, Г - продольные разъединители.

Разъединители могут иметь ручной, электрический приводы (от ДСП или ДСЭ) или телеуправление.

Длина анкерного участка не более 1600 м. Для исключения перетяжки проводов под действием компенсаторов и для облегчения ликвидации повреждения при обрыве контактного провода выполняется средняя анкеровка посредине анкерного участка.

Поворотная консоль на опоре, где выполняется средняя анкеровка, выполняется неподвижной с помощью тросов. А опоры, к которым крепятся эти тросы, анкеруются.

Опоры контактной сети.

I. По назначению опоры подразделяются на:

1. Анкерные - для закрепления проводов на границах анкерных участков.

2. Промежуточные - для поддержания проводов на анкерных участках.

3. Переходные - для поддержания проводов двух соседних сопрягаемых анкерных участков.

4. Фиксирующие - для фиксации проводов, например, в кривых участках пути.

Для обеспечения перехода с одного контактного провода на другой над стрелочными переводами устанавливаются ограничительные втулки, длина которых метра, не мешающие перемещению проводов при изменении температуры.

II. По конструкции опоры делятся на:

1. Консольные:

Консольные опоры устанавливаются, в основном, на перегонах. Могут устанавливаться на два пути. Консоли поворотные.

2. Ригельные (ригель - это жесткая поперечина):



Устанавливаются на многопутных перегонах и на станциях с малым путевым развитием.

3. С гибкой поперечиной - гибкая поперечина, это стальной множительный трос.

Устанавливаются на станциях с большим путевым развитием. Могут заменяться ригельными опорами. Но при этом устанавливаются дополнительные опоры поперек путевому развитию.

Провода контактной сети.

Контактный провод имеет стандартное сечение сложного профиля с двумя продольными пазами для крепления струновых зажимов.

Сечение контактного провода 100 мм ² на перегонах и на главных путях станции, а на второстепенных путях 85 мм ². На дорогах постоянного тока - два провода по 100 мм ². Контактный провод изготавливается из меди холодной протяжкой. Контактные провода могут быть бронзовыми, но у них меньше электропроводностью. На второстепенных путях могут устанавливаться сталемедные или сталеалюминевые контактные провода.

Несущий трос должен быть механически прочным, поэтому выполняется многожильным, обычно 19 проволочек, и хорошим проводником тока, поэтому выполняется медным, бронзовым или стальным из оцинкованных проволочек, но цинк быстро утрачивается. Несущий трос может быть и сталемедным, или сталеалюминевым.

Электрические соединения соседних анкерных участков контактной сети выполняются из мягкой меди.

Изоляторы.

Подвесные изоляторы используются тарельчатого типа. На постоянном токе их устанавливается по два последовательно, а на переменном токе - не менее трех. Анкерные изоляторы тарельчатого типа собираются при постоянном токе из трех, на переменном токе - из не менее четырех последовательно соединенных изоляторов. Фиксаторные изоляторы на постоянном токе тарельчатого типа собираются из одного или двух последовательно соединенных изоляторов, а на переменном токе устанавливаются изоляторы стержневого типа.

Рельсовые цепи.

По рельсам проходит тяговый ток, который основное сопротивление встречает в стыках. Сопротивление 1 метра рельсовой цепи со стыком не должно превышать более чем в три раза электрическое сопротивление 1 метра цельного рельса. Для выполнения этого требования между накладками и рельсами засыпают графит или приваривают медные гибкие перемычки сечением не менее 40 мм ² на переменном токе и не менее 70 мм ² на постоянном токе. Могут устанавливаться в отверстия рельсов специальные обходные соединения. Для обеспечения работы автоблокировки рельсовая цепь делится на блок-участки изолированными стыками. Для прохождения тягового тока через изолированные стыки применяются различные системы, например, с помощью дросселей.



По половинам катушек дросселя проходят равные тяговые токи, создающие равные встречно-направленные и уничтожающие друг друга магнитные потоки и тяговому току дроссель не оказывает индуктивного сопротивления. А для тока автоблокировки частотой 75герц дроссель оказывает большое индуктивное сопротивление и практически через дроссель ток автоблокировки не проходит.

Все металлические конструкции, расположенные на расстоянии менее 5 метров от частей контактной подвески обязательно заземляются, например, заземление у каждой опоры присоединяются к рельсам.

Различия в понятии:

Контактная сеть - это воздушная подвеска на опорах.

Тяговая сеть - это контактная сеть, рельсовая цепь, питающие и отсасывающие фидеры.

11. Общее устройство электродвигателя постоянного тока и принцип его работы

Электродвигатели постоянного тока на отечественном электроподвижном составе и на тепловозах с электрической передачей используются в качестве тяговых электродвигателей.

Тяговые электродвигатели служат для получения вращающихся моментов, которые через зубчатые передачи передаются на колесные пары и в результате сцепления колес с рельсами образуется сила тяги.

Электродвигатели постоянного тока легко берут с места под нагрузкой и имеют простой способ регулирования частоты вращения якоря, поэтому их используют в качестве тяговых электродвигателей.

Неподвижная часть двигателя называется остов, который служит для механического соединения всех деталей двигателя и выполняет роль магнитопровода (по нему замыкается магнитный поток), выполняемый из электротехнической стали. Снаружи остов может иметь цилиндрическую форму или форму шести-, восьмигранника. Внутренняя поверхность цилиндрическая, к которой крепятся главные полюса для получения магнитного поля. Может быть 2, 4, 6 главных полюсов. Главный полюс состоит из сердечника и катушки. Сердечник шихтованный набирается из штампованных листов электрической стали. Катушки всех полюсов соединяются последовательно и образуют обмотку возбуждения.

Подвижная вращающаяся часть электродвигателя называется якорем, который расположен между полюсами, имеет цилиндрическую форму. Концы вала якоря расположены в подшипниках щитов, которые крепятся к остову. Якорь имеет сердечник из электротехнической стали, в пазы которого укладывается обмотка якоря. Выводы от проводников обмотки якоря соединяются с коллектором, состоящим из медных пластин. К коллектору прижимаются электрографитированные щетки, через которые подается напряжение на обмотку якоря. Электродвигатель имеет четыре вывода - два от обмотки якоря и два от обмотки возбуждения. При изменении направления тока только в одной из обмоток (в основном, в обмотке возбуждения) изменяется направление вращения якоря, а значит, и направление движения локомотива, называемое реверсированием.



Принцип работы двигателя постоянного тока основан на выталкивании проводника с током из магнитного поля:

Если по проводнику пропускать электрический ток, то вокруг проводника образуется круговое магнитное поле, направление которого определяется по правилу буравчика. Если этот проводник поместить в магнитное поле полюсов, то в результате взаимодействия магнитного поля проводника с током с магнитным полем полюсов с одной стороны от проводника магнитное поле усиливается, а с другой - ослабевает. Магнитное поле обладает свойством упругости. На проводник будет действовать выталкивающая электромагнитная сила, стремящаяся вытолкнуть проводник с током из магнитного поля полюсов. Направление выталкивающей силы при этом определяется по правилу левой руки, а ее величина по закону Ампера: , где В - электромагнитная индукция полюсов, I - величина тока, проходящего по проводнику, l - длина проводника.

Если в магнитное поле полюсов поместить виток с током, то он повернется под действием пары сил F до горизонтального положения в данном случае.

А чтобы получить вращение, необходимо витков.

Электродвигатель постоянного тока обладает свойством обратимости: при подаче электрического напряжения работает как электродвигатель; при вращении якоря какой-либо силой или по инерции работает как генератор - в обмотке якоря будет появляться Э.Д.С.

12. Сущность электрического торможения

При электрическом торможении тяговые электродвигатели переходят в генераторный режим. Их якоря получают вращение через зубчатую передачу от вращения колесных пар за счет запасенной кинетической энергии поезда или при движении поезда под уклон. На проводники обмотки якоря каждого электродвигателя будет действовать выталкивающая сила, направленная против вращения якоря, затормаживающая вращение якоря, а через зубчатую передачу затормаживающая вращение колесной пары.

В случае подключения к обмотке якоря резистора электроэнергия, вырабатываемая электродвигателем, будет гаситься на резисторе - выделяется в виде тепла. За счет изменения величины сопротивления резистора можно регулировать величину тормозной силы. Такой способ электрического торможения называется реостатным.

В случае передачи электроэнергии от электродвигателя в контактную сеть электрическое торможение называется рекуперативным. Рекуперативное торможение возможно в случае превышения вырабатываемой электродвигателем Э.Д.С. напряжения контактной сети. Это невозможно при последовательном возбуждении тяговых двигателей, которые используются в режиме тяги. При переходе в режим рекуперативного торможения, тяговые двигатели переключают на независимое возбуждение.

На электровозах переменного тока с тяговыми двигателями постоянного тока применение рекуперативного торможения затруднено, т.к. тяговые двигатели вырабатывают постоянное напряжение, которое при передаче в контактную сеть необходимо преобразовать (инвертировать) в переменное напряжение. Это стало возможным с применением управляемых вентилей - тиристоров, которые при рекуперативном торможении переключаются с частотой переменного тока. На электровозах переменного тока сейчас устанавливают выпрямительные установки, собираемые на тиристорах. В режиме тяги установка исполняет роль выпрямителя, а в режиме рекуперативного торможения - роль инвертора.

Преимущества электрического торможения: экономия тормозных колодок, простота управления на спусках, а при рекуперативном торможении и экономия электроэнергии.

На некоторых тепловозах применяется реостатное торможение.

13. Образование силы тяги

При подаче U на обмотки тягового двигателя, по обмоткам тягового двигателя течет ток, образуется вращающий момент, якорь тягового двигателя вращается и через зубчатую передачу вращающий момент передается на колесную пару М_к. Колесо колесной пары прижато к рельсу с силой Р₀. Вращающий момент М_к можно заменить парой сил F₁ и F₂. Сила F₁ приложена к центру колеса О, а сила F₂ - к ободу колеса в точке А касания его с рельсом. Рельс закреплен! Под действием сил F₂ и Р₀ возникнут равные им и противоположно направленные реакции со стороны рельса, выраженные силами F_к и R, которые являются внешними силами. Сила R направлена вертикально и не влияет характер движения. Сила реакции рельса F_к и является силой тяги. За счет сцепления колеса с рельсом возникает необходимый упор. При этом силы F₂ и F_к уравновешиваются. Под действием силы F₁ колесо поворачивается относительно точки А, как мгновенного центра вращения. Так как мгновенный центра вращения при этом перемещается по поверхности головки рельса слева направо, то и центр колеса (точка О) поступательно движется в том же направлении.

Сумма сил F_к всех движущих колесных пар локомотива называется силой тяги локомотива.

Сила тяги F_к не должна превышать силу сцепления колеса с рельсом. F_к ? F_{к сцеп} . В противном случае колесо теряет упор и начнется проскальзывание - боксование. Сила сцепления определяется произведением силы Р₀ на коэффициент сцепления колеса с рельсом - F_сцеп = P₀ x ш.

Для локомотива F_сцеп = m_л x g x ш, где m_л - масса локомотива, g - 9,81 м/с² - ускорение свободного падения, ш - коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления зависит от материала рельса и колес, состояния их поверхностей, от скорости движения.

Природу силы сцепления часто объясняют наличием шероховатостей на поверхностях колеса и рельса. При таком рассуждении можно считать, что при наличии отшлифованных поверхностей сила сцепления меньше. Однако, практика доказывает, что при чистых и хорошо обработанных поверхностях сила сцепления выше. Сцепление колес с рельсами объясняется молекулярным сцеплением. Для увеличения сцепления колес с рельсами используют сухой кварцевый песок, который разрушает поверхностные пленки и твердые частицы внедряются в контактируемые поверхности.

Расчетный коэффициент сцепления локомотива ш_к определяют по эмпирическим формулам для различных типов локомотивов и отдельно в кривых малого радиуса R менее 500 м; например для электровозов переменного тока

Под каждое колесо электровоза нужно подавать песка 400-700 г/мин летом и 900-1500 г/мин зимой.

Склонность колесных пар к боксованию возрастает с увеличением проката бандажей свыше 3ч4 мм и износа рельсов вследствие изменения формы и размеров площадки, по которой соприкасаются колесо и рельс.

Вращающий момент, действующий на колесо М_к = М х м x з_n, где М - вращающий момент на валу якоря тягового двигателя, м - передаточное отношение зубчатой передачи, з_n - к.п.д. зубчатой передачи и моторно-осевых подшипников, который принимается равным 0,975.

Сила F₁ действующая на буксу, и по III закону Ньютона букса на колесе действует с силой F₃. Пара сил F₃ и F_к определяют момент. Для условия равновесия колеса F_к х D_к / 2 = М_к, отсюда F_к = 2 М_к / D_к, или

Как видно из формулы силу тяги локомотива можно изменить конструктивно изменением передаточного отношения зубчатой передачи или изменением диаметра колеса D_к.

При увеличении передаточного отношения зубчатой передачи сила тяги увеличивается, а при увеличении диаметра колеса D_к - уменьшается; при этом скорость движения будет изменяться наоборот. Поэтому, для пассажирских локомотивов не так важна сила тяги, как скорость, то =1,53,0, а для грузовых локомотивов не так важна скорость, как сила тяги, то =3,55,0. Передаточное отношение - это отношение числа зубьев зубчатого колеса, расположенного на колесной паре, к числу зубьев шестерни, расположенной на валу якоря электродвигателя и показывает, во сколько раз медленнее вращается колесная пара по отношению к вращению якоря тягового электродвигателя.

14. Образование силы торможения

При механическом торможении подается сжатый воздух в тормозные цилиндры. Поршень в цилиндре перемещается, через шток, тяги и рычаги прижимая тормозную колодку к колесу с усилением К. В месте контакта колеса с тормозной колодкой возникает сила трения K x , направленная навстречу вращению колеса. - это коэффициент трения колодки о колесо. Перенесем силу силу трения K x в точку А касания колеса с рельсом. Колесо прижато к рельсу силой Р₀. Обе эти силы внутренние по отношению к поезду и не могут повлиять на характер движения.

Если колесо прижато к рельсу с силой Р₀, то в результате сцепления колеса с рельсом сила K x стремится сдвинуть рельс по направлению движения. Но рельс закреплен и вызывается реакция рельса по III закону Ньютона В_т, равная K x и противоположно направленная. Эта сила по отношению к поезду является внешней и называется тормозной силой. Она действует против движения и создает колесу упор.

Тормозная сила одного колеса: B_т = K x

Усилие прижатия тормозной колодки к колесу "К" зависит от интенсивности торможения, от диаметра тормозного цилиндра, от давления воздуха в нем, от передаточного отношения рычажной передачи, от силы оттормаживающей пружины в тормозном цилиндре.

Коэффициент трения зависит от материала колодок, скорости движения и удельных сил нажатия колодок на колеса.

С увеличением скорости движения и удельного нажатия колодок коэффициент трения снижается, т.к. за счет тепла металл размягчается, в тонком слое может оплавиться. Для повышения коэффициента трения применяют двухстороннее нажатие колодок.

Коэффициент трения рассчитывают по эмпирическим формулам.

Применяются тормозные колодки: чугунные, чугунные с повышенным содержанием фосфора (до 1,0ч1,4%), и композиционные.

С увеличением скорости движения у чугунных колодок коэффициент трения более резко снижается, и чугунные колодки имеют больший износ. У композиционных колодок коэффициент трения выше и с увеличением скорости движения он в меньшей степени снижается. У чугунных колодок с повышенным содержанием фосфора коэффициент трения имеет промежуточное значение, но ближе к значениям чугунных колодок.

Тормозная сила В_т не должна превышать силу сцепления колеса с рельсом. В_т? F_{к сцеп} .В противном случае колесо прекращает вращение и будет

двигаться "юзом" по рельсу. На поверхности катания колеса образуется площадка (ползун), который во время дальнейшего движения будет разрушать рельсы.

15. Сопротивления движению поезда

Силы, действующие вдоль оси пути по направлению движения поезда, называются движущими силами, а силы встречного направления - силами сопротивления движения поезда.

Сопротивления движению поезда делятся на две составляющие:

I. Основное, действует при движении поезда всегда:

1. Сопротивление пути - трение качения колес по рельсам из-за деформации опорных поверхностей (сила обратно пропорциональна диаметру колес и зависит от твердости материалов); трение скольжения из-за проскальзывания и из-за трения между гребнями бандажей и рельсами, которые уменьшаются при натяжке в режиме тяги; от ударов при движении по неровностям пути (зависит от скорости, нагрузки на ось, зазора в стыке).

...