XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Последние десятилетия прошлого века с изобретением электрического двигателя в мире появляются новые виды локомотивов. С 1878 года на различных выставках стали демонстрироваться узкоколейные электрические дороги, а в 1881 году во многих городах привычную конку заменяет электрический трамвай.

В 1890 году на электрическую тягу переходят паровые подземки, потом электрическая энергия находит широкое применение на городском транспорте: ее используют трамваи, троллейбусы, метрополитен.

Первые электровозы появились в конце XIX века.

Рисунок 1. Устройство электровоза.

Возникновение и развитие электрической тяги на железных дорогах нашей страны тесно связано с Владимиром Ильичом Лениным. Но в технически отсталой, России, эти гениальные идеи невозможно было претворить в жизнь.

Проекты электрификации некоторых железнодорожных участков хотя и были разработаны, но попытки их осуществления не нашли поддержки правительства. Мощность электростанций всей России в то время была ничтожно мала.

Лишь после победы Октябрьской социалистической революции началась электрификация промышленности и транспорта. В марте 1920 года IX съезд партии по инициативе В. И. Ленина признал необходимым создать единый план развития народного хозяйства, в котором центральное место должна была занять электрификация всей страны. Разработка этого плана была поручена Государственной комиссии по электрификации России и проводилась под непосредственным руководством Ленина. Благодаря успешному выполнению плана ГОЭЛРО в стране была создана крупная для того времени электрическая база. Можно было приступать к внедрению электрической тяги на железных дорогах.

В 1924 году президиум Бакинского комитета КПБ Азербайджана 3 марта принимает решение: считать необходимым электрификацию Балахано-Сабунчинской ветки до Суроханов , строительство началось в трудных условиях. Требовалось восстановить 20километровый участок пути, построить депо, вокзалы, тяговые подстанции, произвести монтаж многочисленного оборудования, подвесить контактный провод. Все приходилось начинать с нуля , но работы были успешно завершены. 26 июля 1926 года по электрифицированному участку отправился в путь первый поезд с работниками депо и тяговых подстанций так же строители.

В первые же дни проявились преимущества «электрички» перед печальной памятью «сабунчинки». Вместо 16 пар поездов при паровой тяге стало курсировать вдвое больше. Скорость движения возросла в 2-3 раза, стоимость поездки снизилась на 15-20 процентов. В вагонах уютно и чисто.

1932 года 16 августа в строй вступает уже первый магистральный электрифицированный участок между станциями Хашури - Зестафони, проходя через Сурамский перевал. В этот же год коллективы московского завода «Динамо» имени Кирова и Коломенского завода имени Куйбышева построили первый отечественный электровоз, которому в честь В. И. Ленина была присвоена серия ВЛ.

С тех пор прошло 50 лет. За это время электрифицированы десятки тысяч километров железных дорог, а отечественная промышленность построила очень много электровозов, и все они носят дорогое для нас имя. Электровоз — это локомотив, на котором установлены электрические двигатели, называемые тяговыми. Назначение их-преобразование электрической энергии в механическую, ведь только она может заставить колеса вращаться.

Первый из них ВЛ8 вышел из ворот Тбилисского завода в 1957 году. Это восьмиосный двухсекционный электровоз мощностью 4200 киловатт. Первенец грузинского локомотивостроения создавали Украина ,Россия и Грузия: из Новочеркасска пришли тяговые двигатели, из Ворошиловграда — экипажная часть и кузов, детали и узлы прислали предприятия Грузии. Со временем завод стал локомотивостроительным, локомотив ВЛ8 пошел в серию. А за ним пошла и собственная продукция завода — электровозы ВЛ10 мощностью 5200 киловатт и ВЛ11 мощностью 5360 киловатт. Локомотив ВЛ11- была основная продукция завода на то. На кузове он гордо несет Знак качества. А на в скором времени уже появляется новая машина — ВЛ15 мощностью 9 тысяч киловатт. Этот электровоз, как и предыдущие электровозы, питается постоянным током.

Кроме плюсов есть и недостатки. Постоянный ток очень трудно трансформировать, повышать или понижать его напряжение без больших потерь или затрат. Можно избежать потерь энергии, но нужно затратить много средств что бы соорудить необходимые устройства. Если этого не делать, потерь не избежать. Чем выше мощность электровоза, тем больше потери. А каждый год появляются всё более мощные электровозы.

Чтобы предотвратить большие потери энергии надо увеличить сечение контактного провода и уменьшить расстояние между тяговыми подстанциями. Для этого необходимо построить новые подстанции.

Если учесть, что уже сейчас при напряжении в контактном проводе 3 тысячи вольт подстанции расположены в среднем на расстоянии 20-25километров, расход меди на 1 километр контактной сети 10 тонн, то станет очевидным, что этот путь не ведет к правильному решению задачи. Нужны другие, более экономичные и простые средства. Решено подводить в контактный провод не постоянный ток, а переменный.

Переменный ток не обладает недостатком, присущим постоянному току. Чтобы изменить его напряжение, достаточно иметь обыкновенный трансформатор. С помощью этого широко распространенного прибора высокое напряжение электрического тока, подведенного в контактную сеть, можно легко понизить до величины, наиболее выгодной для работы двигателей.

В нашей стране еще в 1934 году на московском заводе «Динамо» имени Кирова приступили к проектированию электровоза переменного тока. Конструкторы задались целью создать такую машину, которая, имея двигатели постоянного тока, могла бы питаться от контактной сети, по которой течет переменный ток. Выгоднее подводить в контактную сеть переменный ток, а использовать в двигателях электровоза лучше постоянный. Инженеры решили создать такую конструкцию электровоза, которая позволила бы сочетать преимущества применения переменного тока и высоких тяговых свойств двигателей постоянного тока.

Такой электровоз построили в 1938 году. Для преобразования переменного тока в постоянный на нем установили ртутный выпрямитель. Испытания, проведенные на Экспериментальном кольце научно-исследовательского института железнодорожного транспорта, подтвердили жизненность идеи преобразования тока на самом электровозе.

В 1954 году на Новочеркасском заводе построили два опытных электровоза серии НО, а в 1957 году на стальных магистралях появился новый шестиосный электровоз этого же завода НО60 мощностью свыше 4000 киловатт, способный развивать скорость 110 километров в час. Но и это был не предел. Новочеркасские мастера построили более мощный электровоз НО80, работающий на переменном токе. Его восемь электрических двигателей развивали общую мощность, равную более 6000 киловатт. В нашей стране уже вступили в строй тысячи километров электрифицированных линий, в контактных проводах которых течет однофазный переменный ток напряжением 25 тысяч вольт. На этих линиях расстояние между тяговыми подстанциями увеличилось до 50—60 километров, в контактном проводе ведь не 3 тысячи, а 25 тысяч вольт! Да и сами тяговые подстанции стали проще, так как им не надо иметь устройств для преобразования тока. Изменилась и контактная сеть, она стала значительно легче — не 10 тонн, а только 3 тонны меди идет на 1 километр. Уменьшились потери электроэнергии при передаче.

Значительно изменилась за последние годы и конструкция электровозов. На первых электровозах переменного тока стояли громоздкие и капризные в работе ртутные выпрямители, усложняющие конструкцию локомотивов. Ученые и конструкторы приложили немало сил, чтобы найти и сделать машину более простой и надежной.

Были созданы выпрямители, в которых используются полупроводниковые материалы, в частности кремний. Эти выпрямители имеют небольшие размеры и массу. Создание надежно работающих электровозов с полупроводниковыми выпрямителями явилось огромным шагом вперед по пути технического совершенствования электрической тяги. Так, в 1962 году на Новочеркасском электровозостроительном заводе был построен электровоз переменного тока Н62, на котором переменный ток преобразовывается в постоянный кремниевыми полупроводниковыми выпрямителями. Электровозы переменного тока прочно встали на рельсы и повели многотонные составы. Но это было лишь начало. Конструкторам открылся длинный и трудный путь, который необходимо было пройти, чтобы электровозы стали еще мощнее, надежнее, проще в работе.

Самые последние, наиболее мощные и совершенные электровозы ВЛ80Т. Этот электровоз, построенный Новочеркасским электровозостроительным заводом, носит Знак качества, а его создателям присуждена Государственная премия СССР. Его элктродвигатели развивают мощность 6500 киловатт. Локомотивы таких типов очень нужны в наши дни. На долю стальных магистралей нашей страны приходится более половины грузооборота всех железных дорог земного шара вместе взятых. Протяженность наших железнодорожных линий составляет 11% мировой сети. А поток грузов продолжает расти, поэтому прежде всего нужны надежные, экономичные и мощные локомотивы, которые могут водить поезда массой 12-18 тысяч тонн с высокими скоростями. Такой локомотив - электровоз ВЛ80Т - вышел на стальные магистрали. Появление его стало возможным благодаря многим оригинальным конструкторским решениям. Пневматический тормоз локомотива был дополнен электрическим. Для этого не потребовалось специального тормозного оборудования: в роли тормоза выступают восемь тяговых электрических двигателей локомотива. Они в нужный момент простым переключением превращаются в генераторы, потребляющие механическую энергию,то есть энергию движения поезда, и «гасят» скорость. Такому тормозу не нужны тормозные колодки. Тормоз снабжен автоматической электронной системой регулирования. Эта система, получая от машиниста задание, сама выбирает оптимальный режим работы тормозов в зависимости от скорости движения поезда и профиля пути. Благодаря этому поезд преодолевает крутые и затяжные спуски плавно, без ударов и рывков. Машинист только задаст скорость, все остальное за него сделает автоматика. Такой электровоз может пробежать без капитального ремонта до 2 миллионов километров, что в 5-6 раз больше, чем лучшие его зарубежные братья.

Освобождавшаяся энергия может быть возвращена в контактную сеть и использована другими электровозами. На линиях с крутыми спусками таким образом можно возвратить в контактную сеть до 15 % электроэнергии, идущей на тягу поездов .Эффект возврата электроэнергии, как говорят специалисты, «рекуперации».Первые электровозы постоянного тока оснащались электрическими тормозами. Гораздо сложнее оказалась эта задача для электровозов переменного тока. Ведь в контактной сети течет переменный ток, а двигатели, работая при торможении как генераторы, вырабатывают постоянный, его никак не возвратишь обратно таким, каким он есть. Приходилось его в виде тепла выбрасывать в атмосферу. Не была решена эта задача и в электровозе ВЛ80Т.

Конструкторы упорно искали пути решения сложной задачи. Поиски увенчались успехом . Первый электровоз переменного тока с рекуперацией был построен в 1967 году. В качестве преобразователя тока на нем была использована установка с управляемыми полупроводниковыми вентилями - тиристорами. Они помогали в режиме тяги плавно регулировать поступающее на двигатели напряжение, торможении преобразовывала постоянный ток, вырабатываемый двигателями, в переменный и через трансформатор возвращать его в контактную сеть. Однако потребовалось более 10 лет для совершенствования установки, повышения ее надежности. Сегодня эти задачи успешно решены, и электровозы ВЛ80Р успешно трудятся на стальных магистралях нашей страны, а машинисты, умело используя возможности рекуперации, возвращают в сеть сотни тысяч киловатт электроэнергии.

Грузооборот железных дорог растет из года в год и растет потребность водить более тяжелые поезда, нужны мощные локомотивы. Конструкторы создают их: электровозы ВЛ83 мощностью 7200 киловатт, за ним ВЛ84 мощностью более 7600 киловатт.

Рисунок 2. Самый мощный в мире электровоз ВЛ-85

Совсем недавно на железнодорожный путь встали первые, самые мощные в мире, электровозы ВЛ85. Эти машины заслуживают, чтобы о них рассказали чуть подробнее. Электровоз ВЛ85 двухсекционный, он на 12 метров короче своего трехсекционного предшественника, но значительно сильнее. Мощность нового локомотива более 10 тысяч киловатт. На его постройку идет меньше материалов, меньше требуется строительно-монтажных работ, а следовательно, он дешевле. Много в этом локомотиве и новых конструктивных решений: это и двухосные тележки вместо трехосных, и наклонные тяги для передачи тяговых и тормозных усилий с тележек на кузов и обратно, и централизованная система вентиляции (ведь оборудование надо охлаждать), и возможность работы в трех секциях, и устройство, позволяющее управлять из одной кабины несколькими локомотивами. Значительно комфортабельнее стала кабина машиниста. Она просторнее, оснащена устройствами обогрева и кондиционирования воздуха; удобнее стал пульт управления, надежнее звуко- и теплоизоляция, элегантнее отделка.

В такой кабине машинисты прекрасно чувствуют себя и на севере, и в Сибири, и в Средней Азии. Ведут эти локомотивы составы по горным перегонам Байкало-Амурской магистрали, по его тоннелям-исполинам, по Транссибирской магистрали — самой длинной в мире электрифицированной дороге.

Конструкторы на этом не останавливаются. Только-только встал на рельсы этот электровоз, а создатели «стальных коней» уже готовят к выходу в свет принципиально новую машину ВЛ-86 мощностью 12 тысяч киловатт. На ней будут установлены асинхронные двигатели, не имеющие коллекторов.

А это значит — возможность получить большую мощность двигателей, уменьшить их массу. Придет день и этот электровоз выйдет в первый рабочий рейс.

Топливом для всех электровозов является электроэнергия, которая подводится к тяговым подстанциям от электростанций, а оттуда поступает в контактные провода. Поступить ее в контактный провод должно столько, чтобы все электровозы могли двигаться с установленной скоростью. Но ведь на одном участке поездов может быть больше, а на другом меньше, одни поезда могут находиться на спусках и меньше нуждаться в «топливе», а другие на подъеме — и им требуется «усиленное питание». Иными словами, подачу энергии в контактный провод надо регулировать. Этим занимается энергодиспетчер. А помогает ему система телеуправления тяговыми подстанциями по командам которой они автоматически посылают в контактную сеть своего участка столько энергии, сколько необходимо в данный момент.

Электрификация железных дорог продолжается. Она и в наши дни остается магистральным направлением технической реконструкции железнодорожного транспорта.

Список использованной литературы:

1.Электровозы и электропоезда Москва «Транспорт» 1991г.

2.Устройства и работа электровозов переменного тока Москва «Транспорт» 1982г

3.История железнодорожного транспорта России. Т. I: 1836—1917 гг.— СПб, 1994.-336 с.

4.https://ru.wikipedia.org/wiki/Электровоз.

Код для цитирования: Скопировать