Автор-составитель:
Овчинников Николай Иванович, доцент
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Подвижной состав и тяга поездов» составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и на основании примерной учебной программы данной дисциплины в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки студента по специальности 190701.65 Организация перевозок и управление на транспорте (железнодорожный транспорт). Дисциплина входит в цикл общепрофессиональных дисциплин специальности и является дисциплиной по выбору студента. Данный учебно-методический комплекс рассмотрен и одобрен на заседании Учебно-методической комиссии РОАТ. Протокол №4 от 01.07.2011.
Содержание
Рабочая учебная программа по дисциплине …………………………………
4
Конспект лекций по дисциплине ……………………………………………..
9
Задание на контрольную работу и общие методические указания для выполнения контрольной работы
44
Методические указания студентам ………………………………………….
59
Методические указания преподавателям ……………………………………
60
Вопросы к дифференцированному зачету по дисциплине ...………………
61
^ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Основные цели преподавания данного курса:
Целями дисциплины являются изучение:
принципов работы и конструкции основных элементов и технических характеристик локомотивов;
конструкции грузовых и пассажирских вагонов, их технико-экономических характеристик;
основ теории тяги поездов и методов тяговых расчетов;
методов содержания локомотивов и вагонов в технически исправном состоянии и организации локомотивного и вагонного хозяйства.
Задачи курса:
Задача дисциплины – подготовить студента к инженерной деятельности в области организации движения поездов с максимальной эффективностью использования возможностей, заложенных в конструкциях локомотивов.
Знания, полученные студентами, позволят им в будущем эффективно использовать локомотивный и вагонный парки при обеспечении выполнения заданного плана перевозок пассажиров и грузов.
^ 2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Изучив дисциплину, студент должен:
2.1. Знать и уметь использовать:
принципы действия и общее устройство локомотивов, вагонов и их основных узлов;
эксплуатационные факторы, влияющие на эффективность использования подвижного состава, его надежность и работоспособность;
основы теории тяги поездов и методы расчета массы, скорости и времени хода поезда, а также расхода электроэнергии или топлива на перевозочную работу.
2.2. Уметь:
выполнять тяговые расчеты и определять технико-экономические показатели работы локомотивов;
эффективно использовать локомотивы и вагоны.
2.3. Иметь представление:
о принципах действия дизеля и тяговых электрических машин;
о системах ремонта локомотивов и вагонов;
об основах взаимодействия подвижного состава и пути: безопасности движения.
^ 3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Вид учебной работы
Всего часов
Курс - III
Общая трудоемкость дисциплины
95
Лекции
8
Практические занятия
4
Самостоятельная работа:
83
Контрольная работа
1
Вид итогового контроля
Дифференцированный зачет
^ 4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1. Разделы дисциплины и их содержание
№ п/п
Раздел дисциплины
Лекции, час
Практические занятия, час
1.
Общие сведения о подвижном составе
2
2.
Локомотивы
2
2
3.
Тяга поездов
2
2
4.
Локомотивное и вагонное хозяйство
2
^ 4.2. Содержание разделов дисциплины
1. Общие сведения о подвижном составе
Железнодорожный подвижной состав и его классификация. Типы и общее устройство вагонов. Типы локомотивов и их общее устройство. Силы, действующие на подвижной состав. Тяговые характеристики. Ограничения силы тяги. Экипажная часть локомотивов. Взаимодействие подвижного состава и пути.
Общее устройство и принцип действия тормозов подвижного состава.
2. Локомотивы
Системы электрической тяги на постоянном и переменном токе. Электроснабжение железных дорог.
Электровозы постоянного, переменного тока и двойного питания. Тяговые электродвигатели электровозов и их устройство. Электрическое торможение.
Тепловозы. Двигатели внутреннего сгорания.
Передачи мощности: механическая, гидравлическая и электрическая. Преимущества и недостатки различных типов передач.
^ 3. Тяга поездов
Силы, действующие на поезд. Основной закон локомотивной тяги. Силы сопротивления движению поезда и их классификация. Составляющие основного сопротивления и его расчет. Дополнительное сопротивление движению поезда.
Тормозная сила поезда и ее расчет.
Понятие об удельных силах. Расчет массы состава и ее проверки.
Дифференциальное уравнение движения поезда и методы его решения. Основные способы расчета скорости и времени хода поезда.
Подготовительный и действительный тормозные пути. Тормозные задачи и их решение. Допустимая скорость движения поезда на спусках.
Средне-эксплуатационный КПД локомотивов.
^ 4. Локомотивное хозяйство
Структура и функции локомотивного хозяйства. Технически средства и линейные предприятия локомотивного хозяйства. Оборот локомотива. Разделение локомотивов по паркам.
Состав локомотивной бригады и ее обязанности. Способы обслуживания локомотивов бригадами. Общие сведения об организации работы локомотивных бригад.
Экипировка локомотивов. Система технического обслуживания и ремонта локомотивов. Плановые виды обслуживания и ремонта локомотивов.
^ 4.3. Практические занятия
№ п/п
№ раздела дисциплины
Наименование практических занятий
1.
2
Построение тяговых характеристик
2.
3
Графическое решение тормозных задач
^ 5. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
а) Контрольная работа выполняется на стандартных листах писчей бумаги и должна содержать исчерпывающие расчеты с необходимыми пояснениями величин, входящих в формулы; иллюстрирована графиками, выполненными на миллиметровой бумаге.
б) Курсовая работа – не предусмотрена.
в) Курсовой проект – не предусмотрен.
ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ
^ ОБЕСЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература
С.И.Осипов «Теория электрической тяги» /С.И.Осипов, С.С.Осипов, В.П.Феоктистов. -М.: Маршрут, 2006. – 436 с.
В.В.Кузьмич «Теория локомотивной тяги» /В.В.Кузьмич, В.С.Руднев, С.Я.Френкель. - М.: Маршрут, 2005. – 447 с.
М.М.Уздин «Железные дороги» (общий курс) /М.М.Уздин, Ю.И.Ефименко, В.И.Ковалев, С.И.Логинов, Б.Ф.Шаульский. -СПб.: Информационный центр «Выбор», 2002. – 368 с.
О.Г.Куприенко «Тепловозы. Назначение и устройство» /О.Г.Куприенко, Э.И.Нестеров, С.И.Ким, А.С.Евстратов. –М.: Маршрут, 2006. – 280 с.
Н.А.Бондарев, В.Е.Чекулаев «Контактная сеть». –М.: Маршрут, 2006. – 588 с.
В.В.Лукин, П.С.Анисимов, Ю.П.Федосеев «Вагоны» (общий курс). –М.: Маршрут, 2004. – 422 с.
Дополнительная литература
Ю.Е.Просвиров «Электрический транспорт железных дорог»: Учебное пособие. –Самара: СамИИТ, 1997. – 192 с.
В.Р.Радченко «Пневматические тормоза подвижного состава». –М.: Маршрут, 2006. – 588 с.
«Правила тяговых расчетов для поездной работы». – М.: Транспорт, 1985, - 288 с.
В.Е.Кононов, А.В.Сколин, М.А.Ибрагимов «Локомотивы (общий курс)». Учебное пособие. –М.: РГОТУПС, 2008. – 186 с.
В.В.Стрекопытов «Электрические передачи локомотивов» /В.В.Стрекопытов, А.В.Грищенко, В.А.Кручек. –М.: Маршрут, 2003. – 310 с.
«Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации». –М., 2011. – 255 с.
^ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ1.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.
^ 2. 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 большую силу тяги и ведет поезд с более высокой скоростью, отсюда:
2. Пропускная способность (количество поездов в единицу времени) возрастает на 3050% по сравнению с паровой тягой, а провозная способность (количество тонн перевезенного груза в единицу времени) возрастает в 1,52 раза.
3. К.П.Д. составляет 23 % (при тепловой тяге 19 %, при паровой тяге 34 %).
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 24 года.
^ 3. 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.
4.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.
^ 5. 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.
^ 6. Принципы работы локомотивов:6.1. 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.
пар
7
3 2 1
6 5 4 5
1.Паровая машина. 5.Дышла.
2.Поршень. 6.Рельс.
3.Ползун. 7.Колесные пары.
4.Кривошипно-шатунный механизм.
У паровоза низкий КПД (5-7 %) из-за значительных потерь тепла в окружающую атмосферу.
6.2. 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.
^ 6.2.1Принцип работы четырехтактного дизеля. Р
ассмотрим 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 600-650оС. 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
^ 6.2.2. 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 1,5
3,0 кГс/см2. Этот процесс называется наддув. В случае подачи воздуха в цилиндр под давлением поступает большее количество воздуха, и мощность дизеля увеличивается в 1,5
2,0 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 65
70 % 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 120о. 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.
^ 6.2.3. Системы дизеля:
Топливная система – бак, емкостью 60007000 литров; трубопроводы с фильтрами, топливоподкачивающие насосы, насосы высокого давления.
Система воздухоснабжения – для подачи воздуха в цилиндры, чтоб обеспечить более полное сгорание кислорода в воздухе; воздухозаборники, фильтры, нагреватели.
Водяная система – для охлаждения стенок цилиндров, нагреваемых при сгорании топлива; водяные полости вокруг цилиндров; радиаторы, охлаждаемые воздухом.
^ 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.
^ 6.2.4.Способы передачи мощности от вала дизеля к колесным парам:
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.
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.
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.
^ 6.2.5. Электрические передачи на тепловозах.
Постоянного тока, когда генератор и электродвигатели постоянного тока; передача простая и высокий к.п.д.
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 большие габариты и увеличилось бы искрение под щетками на коллекторе.
^ 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.
6.3. 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 2000оС, чтобы на лопатки турбин смесь газов с воздухом поступала с температурой не более 800оС (иначе не выдержат лопатки турбины по жаропрочности). Пока газотурбовозы выполнены как опытные образцы.
6.4. 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.
^ 7. 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 (2о+2о) или 2о+2о+2о+2о – 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 2о+2о-2о+2о – локомотив восьмиосный с двумя раздельными (знак « - ») четырехосными тележками, состоящими из двух спаренных двухосных. Для тепловоза 3ТЭ10М – 3 (3о-3о) – локомотив трехсекционный, каждая секция имеет по две трехосные несочленные тележки. Для электровоза ВЛ15 и электровоза ВЛ85 – 2(2о-2о-2о) – 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.
^ 8. Принципиальная схема электроснабжения. О
беспечивается комплексное электроснабжение железных дорог, промышленности, сельского хозяйства. Электроэнергия вырабатывается тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями, которые включаются в единую энергосистему.
^ 9. 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.
^ 10. Общие сведения о тяговом электроснабжения.10.1. 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.
Подача напряжения по двухцепной ЛЭП
1. Опорные тяговые подстанции
2. Промежуточные транзитные тяговые подстанции
3. Промежуточная тяговая подстанция на ответвлениях
Подача напряжения по одноцепной ЛЭП
1. Опорные тяговые подстанции
2. Промежуточные тяговые подстанции.
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 - 15001600 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.
^ 10.2.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 1520 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.
^ 10.3.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 50100 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.
^ 11. Общие сведения о конструкции контактной сети.