Больше ста лет назад, в 1834 г., американец Томас Давенпорт
изобрел и построил любопытную игрушку. Это была самодвижущаяся тележка с
установленным на ней маленьким электромотором. Ни изобретатель, ни его друзья
не придавали этой игрушке серьезного значения. Электротехника делала в то время
лишь первые робкие шаги, и практическое применение электромотора для тяги,
казалось, представляло непреодолимые трудности. Если не считать нескольких
робких и неудачных попыток, со времени изобретения Давенпорта прошло больше 40
лет, пока, наконец, не был создан настоящий, а не игрушечный электровоз.
Правда, это был электровоз-карлик, тихоходный, с ничтожной мощностью в 3 л. с.,
но все же он ходил по настоящим рельсам, возил настоящие вагончики и приводил в
восхищение своих пассажиров и зрителей. Это было на Берлинской выставке в 1879
г. Построила электровоз электротехническая фирма Сименс-Гальске. Одновременно и
независимо в том же году в Америке известный изобретатель Эдисон построил
электровоз приблизительно таких же размеров и мощности.
Как ни мало было практическое значение этих электровозов, как ни низки были их эксплуатационные качества, все же они явились прародителями современных электровозов, и дата их появления — это дата начала развития практического электровозостроения. Размеры и мощность электровозов в дальнейшем непрерывно росли, и, наконец, в 1893 г. фирма Дженераль-Электрик в Америке выпустила электровоз постоянного тока, работающий при напряжении в сети 500 вольт, мощностью 240 л. с. Он был рассчитан на скорость 46 км в час. Начиная с этого времени, в Америке, а вслед за нею и в Европе количество электровозов непрерывно увеличивалось, мощности и скорости их все возрастали. Одновременно возрастало и напряжение в контактном проводе. Современный магистральный электровоз постоянного тока (например, применяемый на дорогах нашего Союза) работает на напряжении 3 тыс. вольт, имеет 6 моторов общей мощностью 2700 л. с. Он развивает скорость до 80 км в час и везет состав весом 2000—2500 т.
 |
| Первый электровоз (1879 г.) везет вагончики с пассажирами. |
*
Чем объяснить распространение электровозной тяги? Где и в
чем электровоз может соперничать с паровозом? Для того чтобы ответить на этот
вопрос, нужно сравнить устройство паровоза и электровоза.
Движущей силой паровоза служит пар. Двигателем, приводящим
во вращение колеса паровоза, является паровая машина. Пар из котла поступает в
паровую машину и заставляет ее поршни двигаться взад и вперед. Это движение при
помощи кривошипного механизма преобразуется во вращательное и передается на
колеса паровоза. Все сцепные оси паровоза (т. е. все оси, передающие тяговое
усилие) связаны между собой шатунной передачей, и таким образом все они
одинаково воспринимают и передают усилия, развиваемые паровой машиной.
В отличие от паровоза электровоз не имеет собственного источника
энергии. Движущей силой электровоза служит электрический ток, который
подводится к нему извне по контактному проводу. Двигателями, приводящими во
вращение колеса электровоза, являются электрические моторы. Они расположены под
кузовом, на тележках электровоза. Ток из контактного провода поступает в моторы
и заставляет их вращаться. Вращение моторов через зубчатую передачу передается
на сцепные оси, число которых равно числу моторов. Каждая сцепная ось
воспринимает усилие, развиваемое ее мотором, поэтому нет надобности связывать
между собой эти оси шатунами.
Уже из этого короткого сравнения вытекает ряд характерных
преимуществ электровоза перед паровозом. Действительно, для того чтобы получить
пар, необходимый для работы паровоза, нужно сжигать в топке котла высокосортное
топливо — каменный уголь или нефть. Электростанции же, которые вырабатывают
электрическую энергию, применяют либо «белый уголь», т. е. дешевую энергию
падающей воды, либо низкосортное малоценное топливо, например сланцы, бурый
уголь, штыб и т. д., транспортировка и сжигание которых в топке паровоза весьма
затруднительны. Центральные же электростанции расположены обычно в районах
залегания этого топлива и оборудованы специальными устройствами для его
рациональной транспортировки и сжигания.
Паровоз вынужден зря сжигать большое количество топлива,
когда он стоит под парами на остановках или готовится к выезду. Электровоз же
всегда готов к действию и не потребляет энергии, когда сто ит. Коэффициент
использования сжигаемого топлива (термический коэффициент) электровоза вдвое
выше, чем у паровоза.
Вот важнейшая особенность электровоза, позволяющая ему
соперничать с паровозом, — он использует общие преимущества электрификации:
дешевое централизованное производство энергии и передачу ее на далекое
расстояние.
Следующая особенность электровоза заключается в том, что
число сцепных осей его может быть неограниченно.
Напомним еще раз, что сцепная ось — это та, через которую
передается тяговое усилие на колеса. Например, у обычного автомобиля только
задняя ось сцепная, потому что только она связана с мотором; у трехоски обе
задние оси сцепные; у моторного трамвайного вагона все оси сцепные, потому что
каждая из них связана со своим мотором, и т. д. Так как тяговое усилие
передается на колеса только сцепными осями, то, чем мощнее паровоз или
электровоз, тем больше у него должно быть сцепных осей. Однако паровоз имеет
шатунную передачу, и поэтому все его сцепные оси соединены между собой и всегда
параллельны друг другу. Известно, что паровоз должен свободно проходить по
крутым поворотам, встречающимся на железнодорожных путях. Как говорят
железнодорожники, паровоз должен хорошо «вписываться» в кривые. Но чем больше
сцепных осей у паровоза, тем больше его длина и тем хуже он вписывается в
кривые, поэтому число сцепных осей паровоза ограниченно. В электровозе же эта
задача не представляет никаких трудностей, так как каждая сцепная ось его
связана только со своим мотором и в случае надобности может поворачиваться
вместе с ним. У многомоторных электровозов сцепные оси обычно распределяются по
тележкам — по две или по три оси на тележку. Сами тележки устроены так, что
могут поворачиваться, относительно кузова электровоза и относительно друг
друга. Таким образом, электровоз может иметь любое количество сцепных осей и
все же свободно вписываться в кривые.
Мощность паровоза ограничена паропроизводительностью его
котла. Развить большую мощность, чем позволяет его котел, паровоз не в
состоянии даже в течение короткого времени. Мощность же электровоза
определяется величиной тока, потребляемого им из контактной сети; поэтому он
может в течение небольшого промежутка времени развить мощность, значительно
большую, чем та, на которую рассчитаны его моторы. Конечно, при этом возрастет
величина тока, поступающего в моторы из сети, и увеличится нагрев моторов, но в
течение короткого времени этот нагрев не успеет достигнуть опасной величины.
Между тем в эксплуатации как раз такое кратковременное повышение мощности может
оказаться весьма важным, например, для того, чтобы сдвинуть с места тяжелый
состав или взять крутой подъем. Таким образом, электровоз оказывается более
мощным и более гибким орудием тяги, чем паровоз. К этому нужно еще добавить,
что электровозы могут быть сцеплены по двое и даже по трое, причем управляет ими
всеми лишь один машинист. Для этого нужно только соединить между собой
электрические провода управления электровозов (так называемое управление по
системе «многих единиц»). Если же сцепить между собой несколько паровозов, то
каждый из них должен полностью обслуживаться всей своей бригадой, и для
согласованной работы приходится прибегать к сигналам. Это сложно, дорого и все
же не обеспечивает согласованной работы и полного использования каждого из
сцепленных паровозов.
 |
| Два паровоза тянут состав на горном участке. |
 |
| На том же горном участке один электровоз везет такой же состав. |
При спуске поезда под уклон возникает новое требование: нужно, чтобы локомотив мог надежно тормозить. Здесь у электровоза также есть большое преимущество перед паровозом. Паровоз должен спускаться с горы на пневматических тормозах, при этом изнашиваются тормозные колодки и бандажи колес. Такой способ торможения вызывает большие расходы по ремонту, и все же на затяжных крутых спусках он недостаточно надежен. Известны случаи, когда, не удержавшись на пневматических тормозах, тяжелый паровоз вместе со всем составом разгонялся под уклон, развивая огромную скорость, и разбивался вдребезги о станционный тупик или врезался в стоящий на путях состав. Электровоз же можно тормозить, используя его вращающиеся моторы как генераторы электрического тока. При этом вырабатываемый ими ток поступает обратно в контактную сеть. Процесс этот называется рекуперацией. Таким образом, при электрическом торможении, кроме экономии на колодках, бандажах и т. п., получается экономия электрической энергии, которая доходит до 20—30%. В горных местностях, где много спусков, эта особенность электровоза имеет важнейшее значение. Пневматический тормоз при этом остаётся на электровозе как добавочный или запасный.
Наконец, преимущество электровозов, бросающееся в глаза при
самом поверхностном сравнении, — отсутствие дыма, копоти, искр, свойственных
паровозам. Может показаться странным, что именно это, казалось бы, на первый
взгляд второстепенное, преимущество заставило ввести электрическую тягу на
магистральных железных дорогах Америки и Европы. А между тем это так. На
длинных тоннельных участках, где дым и копоть от паровых поездов заполняли весь
тоннель, эксплуатация была весьма затруднительна. Даже искусственная вентиляция
не помогала. Облицовка и рельсы тоннельных участков быстро разрушались,
подвергаясь разъедающему действию газов, выделяющихся из паровозной топки.
Бывали случаи, когда под действием дыма и газа, скопившихся в тоннеле,
машинисты угорали и падали в обморок, поезда оставались без управления и
терпели крушение. Все это заставило железные дороги, имеющие длинные тоннельные
участки, отказаться от паровой тяги и заменить ее электрической.
Следующим этапом было распространение электровозной тяги на
горных участках, а затем вытеснение электровозами паровой тяги всюду, где
быстро росли грузопотоки и требовалось резкое увеличение пропускной способности
железных дорог. Число электровозов стало быстро возрастать. Конечно, паровоз
имеет свои преимущества, но о них мы в этой статье говорить не будем.
*
Сердце электровоза — это его тяговые моторы. В них
происходит преобразование электрической энергии в механическую. Они открыты
морозу и ветру, дождю и снегу, поэтому должны быть сделаны так, чтобы работа их
была безаварийна в этих тяжелых условиях. Они должны работать безотказно и
долго — не меньше 10— 15 лет.
Неподвижная станина и вращающийся якорь — вот основные части
мотора. Станина — это стальная коробка, внутри которой укреплены неподвижные
железные выступы — полюса. На них насажены катушки из медного изолированного
провода. В центре мотора расположен вращающийся железный цилиндр — якорь. На
его наружной поверхности в продольных пазах уложены изолированные проводники,
образующие обмотку якоря. Специальное контактное устройство соединяет обмотку
якоря с обмоткой полюсных катушек таким образом, что это соединение не
нарушается при вращении якоря. Когда мотор включен, электрический ток проходит
через обмотку якоря и обмотку полюсных катушек. Магнитное поле, создаваемое
катушками, взаимодействует с током, протекающим по обмотке якоря. При этом
проводники обмотки якоря испытывают усилие, пропорциональное величине тока и
силе магнитного поля. Под влиянием этого усилия якорь начинает вращаться. При
помощи двух зубчаток вращение передается на соответствующую сцепную ось
электровоза, т. е. на колеса.
*
Чем большее усилие приходится развивать мотору, тем
медленнее он вращается и тем больший ток он берет из сети. Если при неподвижном
электровозе моторы его приключить прямо к сети, т. е. включить на полное
напряжение, ток будет настолько велик, что произойдет авария. Поэтому при пуске
электровоза ток моторов ограничивают, включая последовательно с ними сопротивление,
которое называется пусковым. Оно состоит из зигзагообразных чугунных элементов.
Элементы эти соединены между собой в секции таким образом, что общую величину
сопротивления можно регулировать, включая и выключая отдельные секции. В первый
момент пуска все моторы электровоза соединены между собой последовательно. Ток
из контактного провода поступает в сопротивление, проходит последовательно
через все моторы, а затем через колеса электровоза поступает в рельсы, которые
служат обратным проводом. По мере того, как электровоз набирает скорость, число
оборотов моторов увеличивается, ток начинает уменьшаться. Для того чтобы
поддержать его на том же уровне, постепенно выключают одну за другой секции
пускового сопротивления, пока, наконец, оно не оказывается полностью
выведенным, а моторы — включенными на полное напряжение. Если нужно дальнейшее
увеличение скорости, моторы разделяются на две группы — по 3 мотора
последовательно в каждой группе (если на электровозе 6 моторов), и две такие
группы включаются параллельно. Наконец, еще большую скорость можно получить,
разделив моторы на три группы — по 2 мотора последовательно, а три группы
подключить параллельно.
 |
| Наверху — схема параллельного соединения трех групп двигателей, по два двигателя последовательно в каждой группе. |
 |
| Внизу — схема последовательного соединения тяговых моторов |
При всех этих переключениях приходится иметь дело с токами большой величины (порядка нескольких сот ампер) при напряжении, доходящем до 3 тыс. и даже 3700 вольт. Разрыв электрической цепи под таким напряжением очень труден из-за возникновения большой вольтовой дуги и требует применения специальных аппаратов — контакторов.
Что собой представляет вольтова дуга? Когда мы, например, у
себя в комнате вытаскиваем из штепселя вилку настольной электрической лампы,
чтобы погасить ее, мы видим голубоватую искру и слышим слабый треск. Если потом
внимательно осмотреть ножки штепсельной вилки, можно обнаружить на них следы
подгара и разрушения поверхности металла. Это — следы вольтовой дуги,
расплавившей и превратившей в газ микроскопические частицы металла.
Вольтова дуга, слабая и почти безвредная в штепселе
электрической лампы, где напряжение низкое и ток мал, становится опасной при
большом токе и высоком напряжении. Она может достигнуть огромных размеров —
больше метра в длину при напряжении 3 тыс. вольт. Если такая дуга вырвется
из-под контроля, она может быть причиной тяжелой аварии. В пламени ее металл
плавится, как воск, сложные аппараты превращаются в бесформенные слитки железа
и меди, тонкие железные листы обшивки электровоза, сгорают, как бумага.
Контакторы, предназначенные для включения и выключения тока
на электровозе, имеют поэтому специальные устройства для быстрого гашения
вольтовой дуги. Контакты этих аппаратов заключены в искрогасительную камеру из
несгораемого изоляционного материала. Внутри камеры при помощи специальных
электромагнитов создается магнитное поле. Когда контакты контактора размыкаются,
это поле воздействует на возникающую дугу точно так же, как в моторе магнитное
поле воздействует на провода якоря. Под его влиянием дуга быстро перемещается
внутри камеры, растягивается и гаснет. Вылетающие при этом из камеры горячие
газы производят звук, подобный револьверному выстрелу. На электровозе
применяются контакторы электропневматического типа. Они включаются при помощи
пневматического механизма, а выключаются сильной пружиной. Когда сжатый воздух
впускается в цилиндр пневматического механизма, поршень механизма движется,
сжимает возвратную пружину и с силой прижимает друг к другу контакты
контактора. Когда воздух из цилиндра выпускается, пружина возвращает поршень в
исходное положение, и контакты снова расходятся. Впуск и выпуск воздуха производятся
при помощи электропневматического клапана. Такой клапан имеет два положения: в
одном из них он соединяет цилиндр пневматического механизма с резервуаром
сжатого воздуха, а в другом закрывает доступ воздуха из резервуара и соединяет
цилиндр с атмосферой.
 |
| Применяемый на электровозе контактор электропневматического типа. |
Клапаны контакторов переводятся в то или иное положение при помощи низковольтных электромагнитных катушек. Эти катушки соединены электрическими проводами с главным аппаратом управления — контроллером машиниста. Поворачивая рукоятку этого аппарата, машинист включает или выключает катушки соответствующих электромагнитных клапанов и таким образом управляет электровозом.
Ток из контактного провода поступает в электровоз через
пантограф. Это — токоприемник особой конструкции, приспособленный для работы
при больших скоростях и при движении электровоза как вперед, так и назад. Он
имеет, так же как и контакторы, пневматическое устройство и пружинный механизм.
Когда в цилиндры пневматического устройства впускается сжатый воздух, пружинный
механизм приходит в действие и поднимает пантограф. «Лыжа» пантографа
прижимается к контактному проводу и во время хода электровоза следует за всеми
его отклонениями. Если сжатый воздух выпустить, пантограф снова опустится.
Впуск и выпуск воздуха, так же, как и в контакторах, происходят при помощи
электропневматического клапана. Пантограф устанавливается на крыше электровоза
на изоляторах и соединяется с электрическим оборудованием изолированным
проводом.
 |
| Схема электропневматического контактора. |
При всякого рода авариях и неисправностях электрооборудования ток, поступающий из контактного провода в электровоз, может достигнуть такой величины, при которой он становится опасным для моторов и для всего остального оборудования. Поэтому на электровозе имеется специальный аппарат, который в этом случае автоматически отсоединяет электрическое оборудование от пантографа. Этот аппарат называется быстродействующим выключателем. Так как ему приходится разрывать очень большие токи — нескольких тысяч, а иногда и десятков тысяч ампер, — то он имеет искрогасительную камеру в несколько раз большую, чем у обыкновенного контактора, соответствующей величины искрогасительные катушки и специальный механизм с сильными пружинами для особо быстрого выключения. Благодаря этим устройствам выключатель действует настолько быстро, что от момента возникновения тока опасной величины до момента его полного выключения проходят лишь сотые доли секунды. Это такое малое время, что в течение его ток обычно не успевает причинить серьезных повреждений.
На электровозе имеется еще целый ряд аппаратов: реверсор для
изменения направления вращения моторов, предохранители для вспомогательных
устройств, отключатели, при помощи которых можно отсоединить неисправную часть
оборудования, и т. д. Понятно, что прикосновение ко всем этим аппаратам в то
время, когда они находятся под напряжением, грозит смертельной опасностью.
Поэтому все они, так же, как и контакторы и быстродействующий выключатель, расположены
в особом помещении на электровозе, которое называется высоковольтной камерой. В
той же камере расположены вспомогательные моторы для компрессоров, снабжающих
сжатым воздухом пневматические механизмы, и вентиляторов, охлаждающих моторы.
Для того чтобы машинист не мог войти в высоковольтную
камеру, когда пантограф поднят и аппараты находятся под напряжением, дверь в
камеру имеет специальное защитное устройство — так называемую блокировку. Эта
блокировка не позволяет открыть дверь, прежде чем воздух из пневматических
цилиндров пантографа не будет выпущен и пантограф опущен. В свою очередь
пантограф нельзя поднять до тех пор, пока дверь в высоковольтную камеру не
будет плотно закрыта и заперта. Таким образом, машинист не может войти в
высоковольтную камеру, не опустив предварительно пантографа, и не может поднять
пантограф, если он забыл запереть дверь в высоковольтную камеру.
*
В царской России электровозов не было. Жалкая, отсталая техника российского капитализма не шла в области электрической тяги дальше трамвая. Да и для него почти все оборудование ввозилось из-за границы. В нашей стране электрификация железных дорог началась только при советской власти. Первая железная дорога была электрифицирована на Сурамском перевале в 1932 г. Это — труднейший горный участок на Закавказской железной дороге. Первые несколько электровозов для него были ввезены из Америки, но вскоре наша советская промышленность освоила полностью их производство. Десятки наших советских электровозов работают в настоящее время на железных дорогах Союза — на Сураме, на железных дорогах далекого Севера, в Сибири, на Урале.
Комментариев нет:
Отправить комментарий