Паровоз XXI века. Паровоз Что будем делать с полученным материалом
Давно искал эту статью (в детстве, к сожалению, изничтожил небольшой архив "Техники молодежи"). Стиль написания, конечно, в лучших традициях советского технократического романтизма:-), да и автор ярый приверженец паровой тяги, но идея все же интересная.
ПАРОВОЗ XXI ВЕКА?
«Ах, какая чудная картина, когда по рельсам мчится паровоз!» Сейчас и песню эту мало кто помнит, и саму «чудную картину». А ведь было! Окутываясь клубами дыма, солидно покрикивая на переездах, паровозы везли по магистралям тяжелые составы.
В эпоху своего расцвета паровозы не без оснований считались шедеврами передовой инженерной мысли. Однако, пройдя более чем вековой путь развития, они уступили дорогу локомотивам с электрической тягой и тепловозам. 30 лет назад производство паровиков было прекращено, и вскоре они исчезли так же, как динозавры или мамонты. О былом величии паровой тяги свидетельствуют только отдельные музейные экземпляры.
Чем же они оказались плохи?
Критикуя какую-либо машину, обычно подчеркивают, что у нее КПД, как у паровоза. А какой он был? В монографии «Паровозы» (1949 г.) под редакцией академика С. П. Сыромятникова приведено значение 8,2%, достигнутое в опытном локомотиве Коломенского паровозостроительного завода.
У серийных паровозов КПД не превышал 7,8%. Это значит, что меньше десятой части энергии сгоревшего угля шло на полезную работу, остальная, в прямом и переносном смысле, вылетает в трубу. Хватает у паровоза и недостатков, связанных с эксплуатацией. Вспомним хотя бы тяжелейшую процедуру удаления накипи из котла. Тот, кто мучился, очищая вручную свой чайник, поймет, чего это стоило. И все же интерес к этим динозаврам технической эволюции пробудился вновь.
Какие же, ранее неведомые достоинства обнаружили у них специалисты? Может быть, мы и вправду скоро увидим мчащиеся по рельсам паровозы? Попробуем разобраться.
Достоинством обернулось то, что раньше считалось недостатком, - топление углем. О паровозе в Харьковском политехническом вспомнили как раз потому, что он работает на угле. В уникальном Канско-Ачинском бассейне наиболее дешевым, открытым способом можно добывать очень много этого топлива, но оно обладает довольно низкой теплотворной способностью, и его дальнейшая транспортировка к месту потребления нерентабельна. Вот тут-то, возможно, и окажется целесообразным применение паровозов. Расходуя местный низкосортный уголь, они могут повысить Эффективность транссибирских перевозок. В топке паровоза прекрасно сгорают и такие угли. Более того, при сжигании угольной пыли полнота сгорания топлива увеличивается почти до 95%. Одно это позволяет значительно уменьшить тепловые потери котла. За прошедшие годы этот способ усовершенствовали для электростанций. Его применение вполне возможно и на паровозе.
Итак, в пылеугольной топке энергия топлива почти полностью перешла в тепловую. Теперь ее надо «перекачать» в пар. Как это сделать наиболее эффективно? И опять ничего изобретать не надо, поскольку на тех же электростанциях прекрасно работают водотрубные котлы. Их конструкция рассчитана на высокое давление - это тоже вклад в повышение общего КПД паровоза. Перегрев пара, водо- и воздухоподогрев увеличивают КПД примерно на треть. Есть резервы и у самой паровой машины. Увеличить срок между чистками котла от накипи можно магнитной обработкой воды.
Как видите, резервы у обновленного паровоза есть. Именно их использовали сотрудники и студенты Харьковского политехнического института, разрабатывая новые паровые локомотивы. Проекты убедительно доказали, что возможно создание паровозов с КПД вдвое, а то и в трое большим, чем в прошлом.
Не вызывает сомнений, что современное состояние промышленности позволяет создать практически любой локомотив, например по одному из проектов ХПИ. Но от опытной машины до ее серийного производства путь не скор и не близок. А главное - он должен быть оправдан.
Теперь слово за экономикой. Паровоз, конечно, не альтернатива другим типам локомотивов. Но, кто знает, может быть, и ему найдется работа на железных дорогах XXI века.
КАКИМ ОН МОЖЕТ БЫТЬ?
Спроектированный в ХПИ паровоз трехсекционный. В нем 4 четырехосных экипажа, а на крайних секциях еще по двухосной бегунковой тележке. Поэтому осевая формула выгладит довольно замысловато: 2-4-0+(0-4-0+0-4-0)+0-4-2 (в скобках часть формулы, относящаяся к средней секции). Ее симметрия иллюстрирует одинаковую приспособленность локомотива к движению передним и задним ходом.
В бункере тендера 60 т специально приготовленной угольной пыли. Через 12 створок, каждая из которых имеет индивидуальный привод, он попадает в шнековый транспортер. Чтобы уголь не смерзался и не примерзал к стенкам, по всей наружной поверхности бункера расположены радиаторы обогрева. В морозы вентилятор будет закачивать туда отработанный горячий газ. Управлять подачей топлива - выбором степени и продолжительности открытия створок бункера, подбором скорости вращения шнека - будет, естественно, автоматика. Через форсунки топливо распыляется в факельной камере. Воздух для этого нагнетает центробежный вентилятор. Он прогоняет поток по специальным коробам, огибающим паровой котел. Нагретый воздух под давлением 0,3 атм и вдувает уголь. Горящая с температурой около 1500 о С смесь отдает тепло трубкам водотрубного котла, затем пароперегревателя, и наконец, водоподогревателя. Остывшие до 200 о С газы, очистив предварительно от золы, выбрасывают через дымовую трубу в атмосферу. Для очистки в поток газа впрыскивают воду. Водой же смывают и задержанную золу, которая накапливается в шлакосборном бункере. По предварительным оценкам, можно уловить до 95% пылеобразных шлаков, как раз и образовывавших традиционный дым. Так называемое мокрое шлакоудаление обеспечивает долговечность топки. Но самое главное - делает паровоз экологически чище.
В котле вода, нагреваясь, поднимается по трубкам, превращается в пар. Под давлением 32 атм он через 16 комплектов электроуправляемых клапанов подается в паровые машины. Когда машинист открывает регулятор, он направляет пар либо в 1, либо в 2, 3,…и, наконец, во все 8 блоков цилиндров. Таим образом, у локомотива 8 ступеней регулирования тяги. Так называемый мятый пар из машины идет в верхнюю часть пароконденсатора, где его принудительно охлаждают атмосферным воздухом. Из водосборника регенерированную воду через подогреватель закачивают в нижнюю часть котла.
Электроэнергией локомотив снабжают 2 генератора постоянного тока, один работает от паровой турбины, другой - только во время движения от бегунковой тележки пароконденсаторной секции. По расчетам, мощность его машин 8000 л. с., а КПД можно довести до 20-21%. Кроме того, за счет большого сцепного веса локомотив развивает тягу 65 тыс. кг.
ЧТО ДЕЛАЕТСЯ ЗА РУБЕЖОМ?
ПАРАМЕТРЫ ЛОКОМОТИВОВ С УГОЛЬНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ
Наименование параметра | ХПИ Проект | ACE 3000 (США) |
Длина по сцепкам, м | ||
Мощность максимальная, л. с. | 8000 | 3000 |
Высота, м | 4,3 | 4,3 |
Вес снаряженный, т | 420 | |
порожний, т | 360 | |
Количество движущих колесных пар | ||
Котел: тип | водотрубный | огнетрубный |
давление , атм | ||
температура перегретого пара , о С | 500 | 430 |
Машина: тип | однотактная | компаунд |
количество ступеней расширения пара | ||
Запас топлива, т |
Паровозы проектируют и американские специалисты. Их на это побудил топливный кризис 70-х годов. Сейчас проходит испытания локомотив ACE 3000. Он оснащен огнетрубным котлом, пароперегревателем, водо- и воздухоподогревателями. Давление котлового пара достигает 17 атм, а температура перегретого пара 430 о С. По этим показателям паровик мало отличается от своих предшественников тридцатилетней давности. И все же на испытаниях его КПД был около 18%.
Наиболее интересная новинка локомотива - топка, созданная аргентинцем Д. Порта. Процесс горения в ней протекает в две стадии. Сначала идет неполное сжигание угля, при этом образуется горючий газ с достаточно высокой температурой. Эта часть топки по принципу действия напоминает газогенератор. Тепло, выделенное при неполном сгорании угля, обогревает котел. Затем горючий газ очищают, пропуская сквозь распыленную воду, и смешивают с воздухом. Рабочая смесь сгорает в газовых каналах огнетрубного котла. Небольшая паровая турбина отсасывает продукты сгорания, прогоняет их сквозь многозвенный сепаратор (циклон), очищая от остатков золы. Так что вместо черного облака над локомотивом вьется лишь легкая дымка.
Замкнутая система циркуляции воды и пара позволяет эксплуатировать локомотив без промывки котла целый год. Напомним, что старые паровозы требовали этой довольно сложной операции каждые 40-60 суток.
В ACE 3000 есть и новинка в духе времени - это бортовой компьютер. Паровозная ЭВМ по своим задачам сродни автопилоту на самолете. Она тоже может управлять локомотивом, правда только после разгона поезда. Компьютер контролирует процесс горения топлива, следит за сцеплением колес с рельсами, выполняет другие функции, причем не только на самом паровозе, но и, например, на тепловозах, работающих вместе с ACE 3000 двойной тягой. Естественно, что тепловозы в этом случае должны быть оснащены аналогичными компьютерами.
Интересно, что, исследуя около 30 первичных двигателей и их модификаций для локомотивов, американские специалисты расположили их в зависимости от расходов на годовую эксплуатацию. Паровая машина в этом списке оказалась третьей, несколько уступив в рентабельности газовой турбине и двигателю Стирлинга. Дизель, кстати, был только 14-м. Правда, эта классификация очень зависит от цены на нефть, которая сильно колеблется, но все же показательна.
Специалисты считают, что пока паровоз требует более глубокой проработки. Только поездная работа опытного образца, а лучше нескольких машин, в реальных условиях на одной из крупнейших железных дорог раскроет все положительные и отрицательные свойства паровика нового поколения.
Олег КУРИХИН, кандидат технических наук
Журнал «Техника молодежи», 01-1987 г. (орфография и синтаксис сохранены)
ИСТОРИЯ РОССИЙСКОГО ПАРОВОЗА
Паровоз - одна из удивительнейших машин, созданных человеком. В ней соединились металл, огонь, воздух и вода.
В 1762 г. предшественницей паровоза стала первая в мире сдвоенная паровая машина русского изобретателя И. И. Ползунова.
Первый паровоз в России был построен отцом и сыном Е.А. и М.Е.Черепановыми в 1833 г., на два года опередившими постройку первого паровоза в Германии. Он выгодно отличался от зарубежных паровозов оригинальными удачными конструктивными решениями. Этот паровоз перевозил до 3,2 т груза со скоростью около 16 км/ч, второй паровоз, построенный в 1835 г., мог возить груз уже в тысячу пудов (16,4 тонн) со скоростью 16,4 км/ч.
Паровоз Черепановых
Однако, паровозы для первой русской железной дороги между Петербургом и Царским Селом, открытой для общего пользования в 1838 г., были заказаны за границей. Только сооружение Петербурго-Московской железной дороги, начатое в 1843 г., явилось основанием для начала русского паровозостроения. Первые паровозы для этой дороги были построены Александровским заводом в 1845 г. - товарные типа 0-3-0 (позже часть была переделана в тип 1-3-0 – впервые в мире) и пассажирские типа 2-2-0.
Товарный паровоз типа 0-3-0
Пассажирский паровоз типа 2-2-0
Уже в середине 60-х годов XIX века в России начинается бурное строительство железных дорог, что, соответственно, приводит и к росту потребностей в паровозах. В 1868 г. правительство заключает контракты с рядом российских заводов. В 1869 г. началась постройка паровозов на Коломенском и Камско-Воткинском заводах; в 1870 г. – на Невском и Мальцевском заводах; в 1892-1900 г. – на Брянском, Путиловском, Сормовском, Харьковском и Луганском.
Отечественное паровозостроение имело свой собственный путь развития. Сформировалась российская школа паровозостроения. Выдающиеся русские инженеры и конструкторы А.П.Бородин, Е.Е.Нольтейн, В.И.Лопушинский и другие создали ряд новых типов паровозов и ввели на них много усовершенствований.
В 1878 г. на Коломенском заводе были построены первые в мире пассажирские паровозы с передней тележкой, что способствовало повышению безопасности движения поездов. За рубежом такие паровозы появились только в 1892 г. Паровозы с четырьмя движущими осями, появившиеся в России еще в 60-х годах XIX века, непрерывно совершенствовались и к 1893 г. широко применялись на железных дорогах.
Паровоз типа 0-4-0 серии О В
В 1891 г. впервые в истории паровозостроения был построен паровоз с конденсацией пара.
Танк-паровоз тип 44
В конце XIX века русские инженеры первые в мире использовали пароперегреватели. В этот же период первыми применили на паровозах двукратное расширение пара. Был обоснован и использован принцип унификации и взаимозаменяемости деталей и узлов в паровозах. Была организована постройка сочлененных паровозов – задолго до появления их в Америке.
Паровоз серии «Фита»
В конце XIX века были заложены основы учения о тяге поездов, которое было превращено русскими и советскими учеными в науку, позволяющую точно рассчитывать массу поезда, скорость и время его движения, определять тормозные пути в зависимости от профиля пути и обеспеченности поезда тормозными средствами и решать многие задачи, связанные с использованием мощностных и тяговых характеристик локомотивов.
К началу XX столетия Россия полностью освободилась от иностранной зависимости в области паровозостроения. К этому же времени были созданы многие замечательные конструктивные формы русских паровозов, дальнейшее развитие которых привело к самым передовым образцам паровозостроения.
С 1898 по 1917 г. заводы России построили 16064 паровоза. Паровозный парк дореволюционной России отличался нецелесообразно большой разнотипностью. Поэтому в 1912 г. циркуляром Управления железных дорог Министерства путей сообщения впервые была введена буквенная система обозначений серий паровозов как для казённых, так и для частных железных дорог. Так, согласно ей, все старые товарные паровозы с 3-мя движущими осями (типы 1-3-0, 0-3-0, 0-3-1) получили обозначение серии Т (трёхосные), типа 0-4-0 выпущенные до паровозов «нормального типа» – Ч (четырёхосные), паровозы «нормального типа» – О (основные) и т.д.
Советский период паровозостроения берёт свое начало с декабря 1920 г., когда был принят пятилетний план восстановления паровозного хозяйства.
В 1925 г. был спроектирован и построен новый пассажирский паровоз СУ, который являлся одним из лучших пассажирских паровозов.
Паровоз С У
Начиная с 1926 г. на протяжении длительного периода на паровозостроительных заводах строились усовершенствованные и усиленные грузовые паровозы ЭУ, ЭМ и ЭР.
Паровоз Э У
Паровоз Э М
Паровоз Э Р
В 1931 г. был создан самый мощный в Европе грузовой паровоз типа 1-5-1 серии ФД, а в 1932 г. на Ворошиловградском паровозостроительном заводе началась серийная постройка этих паровозов.
Паровоз ФД
В начале 1932 г. был разработан проект и построен мощный пассажирский паровоз типа 1-4-2 серии ФДП.
В 1934 г. был построен паровоз типа 1-5-0 серии СО. Паровозы этой серии строили на различных заводах до 1950 г. Они имели широкое распространение на сети дорог.
Паровоз СО
В послевоенный период паровозостроения в СССР были выпущены два серийных типа грузовых паровозов с пятью сцепными осями в жесткой раме с нагрузкой на ось 18 т: паровозы 1-5-0 серии Л и 1-5-1 серии ЛВ с расчетной силой тяги соответственно 221,5 и 231,5 кН.
Паровоз Л
Паровоз Л В
В 1950 г. был выпущен первый опытный мощный пассажирский паровоз типа 2-4-2 (П36), обладающий высокими эксплуатационными качествами. Несколько таких паровозов было построено в 1953 г., а в 1955 г. было начато их серийное производство.
Паровоз П36
Ввиду низкой экономичности постройка паровозов в нашей стране с 1956 г. прекращена.
До 1957 г. было разработано, построено и эксплуатировалось на железных дорогах страны до 400 типов паровозов.
По экономичности и мощности паровоз уступает тепловозу и электровозу, однако значительно превосходит и тот и другой по выносливости и неприхотливости. Паровоз способен выдерживать 400 процентов перегрузок относительно расчетной мощности, а отапливаться может порой совершенно немыслимыми видами топлива, например, сырыми осиновыми дровами, а в годы гражданской войны, случалось, и сухой воблой. Ремонт паровоза стоит значительно меньше, чем тепловоза или электровоза; гораздо дешевле, чем электроэнергия и солярка, обходятся уголь и мазут. Именно эти качества паровоза во многом определили бесперебойность работы железных дорог во время Великой Отечественной войны.
Паровоз остается одним из уникальных технических творений человечества, безраздельно господствовавшим на железнодорожном транспорте более 130 лет. В связи с энергетическими проблемами интерес к локомотивам на твердом топливе не ослабевает и в начале XXI века. Во многих странах сохраняются паровозы-памятники, пользуются популярностью ретропоезда с паровой тягой. Часть паровозного парка находится в запасе, при необходимости работоспособность паровозов может быть восстановлена.
Интересные факты о паровозах
Самый безотказный
Этому-то локомотиву в 1912 году и присвоили серию О В. Новый паровоз оказался безотказной машиной, простой в ремонте и обслуживании. Всеядная "овечка" могла отапливаться углем, мазутом, дровами и торфом. До 1925 года "овечка" использовалась как на поездной, так и на маневровой работе.
В следующем десятилетии в связи с общим обновлением локомотивного парка СССР её переводили на второстепенные магистрали, а с середины 30-х годов паровозы О В использовались в основном на маневровых работах и на промышленном транспорте. В новом амплуа эти локомотивы трудились до середины 50-х годов.
Самый прямолинейно-бестолковый
Начало ХХ века стало пиковым в истории развития паровозостроения. Не удивительно, что каждая страна пыталась перегнать противников в скорости, мощности и размерах. Молодой тогда ещё СССР не отставал от соседей и в 1934 году выпустил 21-метровый локомотив серии АА («Андрей Андреев») – единственный в мире «магистральщик» с семью движущими осями на жесткой раме против обычных пяти (всего же осей было 11). Паровоз был огромным по всем параметрам и, собственно, это его и погубило. Он неплохо ходил по прямой, но с кривыми у него не заладилось с самого начала – он расстраивал пути на поворотах и сходил с рельсов на стрелках. Кроме того, даже «притулить» колоссальную машину куда-либо было проблематично: «АА» попросту не помещался на поворотных кругах и в стойлах паровозных депо. Поэтому практически сразу он был поставлен на прикол, а в 1960-х бесславно порезан на металл.
Самый массовый
Российский, а впоследствии и советский паровоз класса «Э» стал самым массовым локомотивом за всю историю паровозостроения. Первые машины этого типа вышли на рельсы еще в 1912 году, последние, уже значительно доработанные – в 1957-м. Причем над производством «Эшаков» трудились не только шесть отечественных, но еще и более двух десятков заграничных заводов. Локомотив оказался весьма неприхотливым и работал как на грузовых, так и на пассажирских перевозках. Всего за 45 лет было выпущено более 11 тысяч этих паровозов – такой массовостью не может похвастаться ни один из конкурентов. И хотя увидеть «Эшки» на линии сейчас вряд ли удастся – разве что, на постаменте – но увидеть их на ходу можно во многих фильмах, начиная от «Неуловимых мстителей» и заканчивая «Адмиралом».
Самый уникальный
Паровоз «ИС» – «ИСка» стал гордостью советского паровозостроения – на момент создания это был самый мощный пассажирский паровоз в Европе, и именно ему достался Гран-при на Всемирной парижской выставке 1937-го года. Именно «ИС» водил «Красную стрелу». И именно «Сталины» были наиболее быстроходными, разгоняясь до 115 км/ч, а в обтекаемом кожухе – и до 155 км/ч. При этом у «ИС» была своя особенность: он был сильно унифицирован с грузовым паровозом ФД – «Феликсом Дзержинским», что значительно упрощало его ремонт и эксплуатацию. Именно к серии «ФД» паровоз «ИС» в результате и был отнесен: в 1962 году, в разгар борьбы с культом личности, все «ИС» были переименованы в «ФДП» с приставкой «пассажирский».
Самый тяжелый
Паровоз П38 – самый тяжёлый паровоз в истории советского паровозостроения (а с учётом веса тендера – в истории всех советских локомотивов), служебная масса которых с тендером составляла 383,2 т при длине 38,2 м. Серия оказалась ограниченной из-за прекращения выпуска паровозов в нашей стране – всего 4 грузовых паровоза, выпущенных в СССР в 1954-1955 гг. Длина локомотива 22,5 м и тендера 15,7 м, рабочая масса паровоза 213,7- 214,9 т + тендер 168 т с водой и углем, конструкционная скорость 85 км/ч и мощность 3 800 л.с.
Коэффициент полезного действия локомотива, характеризующий степень использования тепла сгорания топлива для получения полезной работы, тем выше, чем совершеннее первичная энергетическая установка. Энергия, потребляемая неавтономными локомотивами, вырабатывается на электростанциях.
Коэффициент полезного действия электротяги при питании от тепловых электростанций составляет 25-26 %. При этом тепловые электростанции работают, как правило, на дешевых видах топлива (бурый уголь, торф). Если учесть долю гидроэлектростанций в электроснабжении электрических железных дорог, то к. п. д. электротяги повышается до 32 %.
Автономные локомотивы в зависимости от типа теплового двигателя и степени его использования имеют к. п. д., достигающий у тепловозов 29-31 %, а у паровозов -5-7 %. За счет улучшения использования и повышения экономичности дизеля к. п. д. тепловозга может быть несколько повышен.
Тяговые электродвигатели у электровозов позволяют при движении на расчетных подъемах работать на режимах с нагрузками, превышающими номинальные, если при этом перегрев обмоток электродвигателей не превышает допустимых пределов. У моторных вагонов электродвигатели обычно работают с токами больше номинальных во время пуска (разгона) поезда.
Электровозы могут при торможении возвращать в тяговую сеть часть энергии движения поезда (рекуперативное торможение). Эксплуатационные затраты на техническое обслуживание и текущий ремонт электровозов ниже, чем при автономных локомотивах. Провозная способность электрифицированных линий значительно превышает провозную способность неэлектрифицированных железных дорог. Электровозы имеют значительно больший срок службы, ремонт их проще, чем тепловозов.
Вместе с тем введение электрической тяги требует больших капиталовложений (устройство контактной сети, линий электропередачи, тяговых подстанций). Однако они быстро окупаются на железных дорогах с большой интенсивностью движения. Поэтому в нашей стране электрическая тяга нашла широкое применение на наиболее грузонапряжен-ных и тяжелых по профилю линиях, а также в пригородном пассажирском движении.
5 коэффициенты полезного действия различных типов локомотивов
Локомотив (франц. locomotive, от лат.(латинский) loco moveo - сдвигаю с места), тяговое транспортное средство, относящееся к подвижному составу и предназначенное для передвижения по рельсовым путям поездов или отдельных вагонов. Первоначально Л. назывались только паровозы, в дальнейшем это понятие распространилось на все виды железнодорожных тяговых средств.
В зависимости от вида первичного источника энергии современные Л. делятся на тепловые и электрические. Тепловые Л. - паровозы, паротурбовозы, тепловозы, мотовозы, газотурбовозы - автономны, имеют собственные силовые установки для выработки энергии. На паровозе - это паровая машина, на паротурбовозе - паровая турбина, на тепловозе и мотовозе - двигатель внутреннего сгорания, на газотурбовозе - газовая турбина. К электрическим Л. относятся контактные и аккумуляторные электровозы. Контактные электровозы своих источников энергии не имеют и получают её через электрическую контактную сеть. Аккумуляторные электровозы имеют аккумуляторные батареи, которые периодически заряжаются от постоянных источников тока. Кроме основных типов Л., существуют различные комбинированные Л.: дизель-электровозы, теплопаровозы, контактно-аккумуляторные электровозы и др., которые широкого распространения не получили. Функции Л. выполняют также моторные вагоны, входящие в состав дизель-поездов, турбопоездов и электропоездов, а также авто- и мотодрезины. В отличие от Л., моторные вагоны и дрезины имеют места для пассажиров и багажа.
По роду выполняемой работы Л. разделяются на магистральные и промышленные. Магистральные Л., эксплуатируемые на ж. д.(железная дорога) общего пользования, в свою очередь, подразделяются на грузовые, пассажирские - для тяги поездов, и маневровые - для работы на станциях. Промышленные Л. используются для перевозок на внутризаводских путях, в рудниках, шахтах и т. п. (см. Промышленный транспорт). Выпускаются Л. для широкой и узкой рельсовой колеи. Все виды Л. характеризуются номинальной мощностью, силой тяги, скоростью и кпд(коэффициент полезного действия); электровозы, кроме того, - родом тока и напряжением, тепловозы и газотурбовозы - типом передачи. Первые Л. - паровозы были построены в начале 19 в. в Великобритании (1803, 1814), позднее, в 1834, - в России. На протяжении почти всего 19 в. этот тип Л. был единственным тяговым средством ж. д.(железная дорога) Увеличение веса поездов, возрастающие скорости движения вызывали необходимость в повышении мощности и тяговых усилий Л., что вело к совершенствованию конструкции паровоза, росту его кпд(коэффициент полезного действия). Последний тип магистрального грузового паровоза имеет мощность около 1800 квт (2400 л. с.), конструкционную скорость до 80 км/ч, а пассажирский паровоз развивал мощность до 1900 квт и скорость до 125 км/ч. Наиболее совершенные паровозы имели кпд(коэффициент полезного действия) до 9%, среднеэксплуатационный кпд(коэффициент полезного действия) - около 4%. В начале 20 в. паровозы стали вытесняться новыми, более экономичными Л., обладающими большей единичной мощностью и более высоким кпд(коэффициент полезного действия), - тепловозами и электровозами. Идея создания Л. с двигателем внутреннего сгорания возникла ещё в конце 19 в. в России. Однако первый в мире магистральный тепловоз мощностью 750 квт (1000 л. с.) с электрической передачей был построен только в 1924 (СССР). Позднее для регулирования тягового усилия и скорости на тепловозах была применена гидравлическая передача. Мощность отечественных двухсекционных грузовых тепловозов составляет в секции 2200 квт (3000 л. с.), конструкционная скорость - 100 км/ч, пассажирские тепловозы развивают скорость до 160 км/ч. Максимальный кпд(коэффициент полезного действия) современных тепловозов 29-32%, среднеэксплуатационный - 20-21%. В 1876 в России были проведены опыты по применению на железной дороге электрической тяги. В 1895 в США построен первый электровоз постоянного тока, который получал энергию через контактную сеть. В СССР электрическая тяга впервые была применена в 1926 на пригородной линии, отечественные электровозы начали эксплуатироваться в 1933. Они имели 6 тяговых двигателей мощностью 340 квт каждый и развивали скорость до 90 км/ч. Электровозы обладают высокой мощностью, не требуют заправки топливом, обеспечивают скорость движения до 110 км/ч. Для обслуживания пасс.(пассажирский) поездов строят электровозы переменного и постоянного тока с конструкционной скоростью до 180 км/ч. Собственный кпд(коэффициент полезного действия) электровоза достигает 88-90%, а общий кпд(коэффициент полезного действия) электрической тяги (с учётом кпд(коэффициент полезного действия) тяговой сети, линий электропередачи, ТЭЦ(теплоэлектроцентраль) или ГЭС(гидроэлектростанция)) - 22-24%. Ещё большую мощность имеет газотурбовоз - до 6300 квт (8500 л. с.). Однако из-за сложности изготовления, низкого кпд(коэффициент полезного действия) (12-18 %) этот Л. выпускается единичными образцами в СССР и малыми сериями за рубежом.
Основу локомотивного парка всех промышленно развитых стран составляют тепловозы и электровозы. Остальные типы Л. из-за малой мощности, низкого кпд(коэффициент полезного действия), сложности конструкции широкого распространения не получили и используются главным образом тогда, когда необходимо обеспечить безопасность работ, вести работы на небольших площадках (например, в карьерах) и в т. п. случаях.
Дальнейшее развитие локомотивостроения связано с увеличением единичной мощности Л. и скорости движения. С конца 60-х гг. за рубежом и в СССР проектируются электровозы переменного тока мощностью 8000 квт (10 700 л. с.), тепловозы мощностью в секции до 4500 квт (6000 л. с.), созданы турбопоезда с авиационной газовой турбиной, способные развивать скорость более 200 км/ч, испытываются Л. с реактивным и турбовинтовым двигателем. Достижение ещё более высоких скоростей движения связано с созданием Л. на магнитной или воздушной подушке с асинхронными линейными двигателями, что позволяет достигнуть скорости до 500 км/ч. Предложены проекты Л. с энергетическими установками, работающими на топливных элементах и с использованием ядерных реакторов. См. также Мотор-вагонный подвижной состав. Применение для электрификации железных дорог двух систем тока - переменного 25 кВ и постоянного 3000 В - неизбежно привело к созданию пунктов стыкования этих систем Для организации движения поездов через пункт стыкования станции стыкования оборудуются, как правило, переключателями, позволяющими подавать на отдельные секции контактной сети тот или другой род тока Такой способ стыкования несколько удорожает стоимость электрификации и требует обязательной смены электровоза В тех случаях, когда по экономическим соображениям и эксплуатационным условиям нецелесообразно оборудование станций стыкования переключателями рода тока, применяют так называемые электро-возы для двух систем тока или двойного питания Эти электровозы могут работать как на переменном токе 25 кВ, так и на постоянном токе 3000 В и проходить разделы питания без остановки Недостатками электровозов двойного питания являются их большие вес и стоимость, а также более дорогое содержание по сравнению с электровозами одного рода тока. Раздел питания двух систем тока при использовании электровозов двойного питания обычно делается около станции, а сама станция не оборудуется переключателями. В 1977-1979 гг Новочеркасский электровозостроительный завод по проекту ВЭлНИИ выпустил партию восьмиосных грузовых электровозов двойного питания ВЛ82М (рис 25) Первые два опытных электровоза этой серии, представляющие собой усовершенствованные (модернизированные) ранее построенные электро возы ВЛ82, были изготовлены в конце 1972 г Затем такие локомотивы строились в 1973-1974 гг
Кузова электровозов ВЛ82М незначительно отличаются от кузовов электровозов ВЛ80Т, что обусловлено применением другого электрооборудования и изменением его расположения Увеличение размера централи с 604 мм у электровозов ВЛ80Т до 632 мм у электровозов ВЛ82М при сохранении конструкции ведомых зубчатых колес вызвало увеличение количества зубьев шестерни с 21 до 26 и, следовательно, изменение передаточного числа редукторов, которое стало 88 26=3,38 В остальном тележки электровозов ВЛ82М такие же, как и у электровозов ВЛ80Т.С точки зрения электрической схемы электровоз ВЛ82М представляет собой обычный электровоз постоянного тока, на котором дополнительно установлены трансформаторно выпрямительные устройства для питания силовых цепей постоянным током при работе на участках, электрифицированных на переменном токе На каждой секции электровоза установлен трансформатор ОДЦЭ-4000/25А типовой мощ ностью 3884 кВ А Трансформатор имеет три обмотки, первичную (25 кВ), тяговую (3800 В) и собственных нужд (240 и 338 В), масса трансформатора 5720 кг. От тяговой обмотки через выпрямительную установку ВУК-6700М питаются тяговые электродвигатели Установка имеет 288 кремниевых вентилей ВЛ230-10. В каждом плече моста 6 параллельных цепей, в каждой цепи 12 последовательно включенных вентилей. Номинальный выпрямительный ток установки 1870 А.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Как прикрепляют рельсы к шпалам, виды скреплений
Классификация электровозов.. электрово з неавтономный локомотив приводимый в движение.. при классификации электровозов можно выделить следующие..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Паровозы и тепловозы
- автономные локомотивы, т. к. имеют собств. установки для выработки энергии. Электровозы зависят от источника энергии; получают электроэнергию через контактную сеть от тяговых подстанций, питаемых стационарными или передвижными электростанциями. Паровозы - первые локомотивы, которые появились в начале 19 в., почти 100 лет были на железных дорогах единственным видом локомотива. Совершенствование паровозов шло в направлении повышения их мощности, скорости движения, силы тяги, экономичности. Однако поднять кпд паровоза выше 12% (в основные кпд равен 6-8%) не удалось. В конце 1-й пол. 20 в. их стали заменять более экономичные автономные локомотивы - тепловозы, кпд которых составляет 20-25% и выше, а затем электровозы, которые в последующие годы на наиболее грузонапряжённых линиях стали вытеснять тепловозы, т. к. имеют ещё более высокий кпд - с учётом потерь в контактной сети он достигает 75%.
Совершенствование тепловозов связано с повышением их секционной мощности, расчётной силы тяги, экономичности и надёжности. В перспективе намечается создание локомотивов, развивающих силу тяги 60-70 кН каждой ведущей оси, т. е. имеющих суммарную силу тяги до 360- 420 кН (в 6-осной секции) и 480-560 кН (в 8-осной). Особое внимание в конструкции перспективных тепловозов уделяется совершенствованию рабочего места машиниста, улучшению условий труда локомотивных бригад. В пасс, тепловозах одной из главных задач является обеспечение пассажирских вагонов электрическое отоплением.
Электровозы также прошли ряд этапов, связанных с повышением мощности и расчётной силы тяги; современные электровозы развивают силу тяги до 700 кН. Важным шагом в улучшении их характеристик явился переход на переменный ток, позволивший существенно повысить напряжение в контактной сети, снизить расходы меди на провода контактной сети и повысить экономичность электрической тяги. Достижения в области полупроводниковых технических средств позволили создать высокоэффективные управляемые преобразователи электроэнергии и бесколлекторный тяговый электропривод. С помощью микропроцессорных систем, используемых в управлении электровозом, автоматизирован режим работы электровоза, включая и работу по системе многих единиц с рассредоточенными вдоль состава локомотивами. Современные электровозы оборудованы устройствами, обеспечивающими реостатное и рекуперативное торможение и дающими значительную экономию потребляемой электроэнергии. Дальнейшее улучшение технико-экономических параметров электровозов даёт применение для регулирования скорости тиристорных преобразователей.
Несамоходный П. с. является наиболее многочисленной частью общего парка П. е.: пасс, и грузовые вагоны различных типов и конструкций, в т. ч. спальные вагоны для поездок на большие расстояния, вагоны с местами для сидения, вагоны-рестораны, технического и служебные вагоны разного назначения (санитарные, лечебные, вагоны- лаборатории и др.). Конструкция вагонов подверглась значит, совершенствованию. Современные вагоны имеют прочный цельноме- таллич. кузов, оборудованы системами отопления, принудительной вентиляции, электрическое освещением, санитарно-технического устройствами. Некоторые типы вагонов оснащены кяиматич. установками для охлаждения воздуха, системами кондиционирования. Улучшение конструкции пассажирских вагонов направлено на повышение комфорта для пассажиров и безопасности движения. С этой целью усиливается герметичность кузова и улучшаются его теплоизолирующие свойства; повышается производительность и экономичность отопит. установок с электрическое подогревом по поездной магистрали от локомотива; совершенствуются средства регулирования и защиты в системе электрическое оборудования с применением микропроцессорной техники; вводится пожарная сигнализация, внутреннего оборудование изготовляется из негорючих и трудносгораемых материалов. Кроме того, используются новые средства защиты от коррозии, что улучшает эргономические показатели вагона, уменьшает объём ремонта.
Грузовые вагоны представлены в парке П. с. универсальными, приспособл. для перевозки разнообразных грузов (крытые вагоны, платформы, полувагоны) и специализированным для перевозки грузов несколько видов со сходными свойствами или одного специфич. груза (цистерны, зерновозы, цементовозы, рефрижераторные и др.). Структура парка грузовых вагонов устанавливается на основании технико-экономических расчётов, учитывающих прежде всего удовлетворение потребности в перевозках, а также номенклатуру, объёмы, дальность перевозок и скорость доставки грузов, затраты в сфере эксплуатации, потребные капиталовложения, обеспечение сохранности грузов, уровень механизации погрузки и выгрузки и т. п. Учитываются также социологические факторы, в т. ч. экономия трудовых и материальных ресурсов в сфере производства и эксплуатации, защита окружающей среды. Совершенствование парка грузовых вагонов направлено на повышение их надёжности, грузоподъёмности, увеличение номенклатуры и численности специализированным вагонов, сокращение объёма ремонта. Для изготовления вагонов используют металлы, пластмассы и др. материалы, которые сохраняют работоспособность при температуре воздуха до -60 °С и удовлетворяют условиям обеспечения прочности и надёжности при эксплуатации.
Начиная с сер. 70-х гг. практически вся работа на железных дорогах выполнялась электровозами и тепловозами. Протяжённость ж. д., работающих на электрическое тяге, составляла 36% от общей протяжённости сети, что обеспечивало 63% всего объёма перевозок (1989).
Требования к П. с., обращающемуся на отечественных железных дорог и приписанному к промышленного предприятиям и др. организациям, регламентируются действующими Правилами технической эксплуатации железных дорог. Согласно Правилам П. с. должен удовлетворять требованиям габарита подвижного состава, находиться в исправном состоянии, гарантирующем безопасность его эксплуатации. Поездные локомотивы и моторвагонные поезда должны быть оборудованы поездной радиосвязью и скоростемерами с регистрацией показаний. Поездные локомотивы и моторвагонные поезда на линиях с автоматической блокировкой должны иметь автоматическую локомотивную сигнализацию, а на линиях без автоблокировки - устройства проверки бдительности машиниста (см.Рукоятка бдительности машиниста). В моторвагонных поездах пункты управления оборудуются устройствами автоматическими остановки поезда на случай потери машинистом способности к ведению поезда (см. Контроллер машиниста). Маневровые локомотивы имеют устройства для отцепки их от вагонов из кабины машиниста.
Для удобства эксплуатации П. с. каждая его единица снабжается отличительными знаками и надписями. На борту локомотивов и вагонов нанесены инициалы дороги приписки (кроме грузовых вагонов), номер, табличка завода изготовителя с указанием даты и места постройки, дата и место установл. видов ремонта, вес тары (кроме локомотивов). На локомотивах и моторвагонном П. с. нанесены также следующие надписи: конструкционная скорость, серия, наименование депо приписки; на пасс, вагонах и моторвагонном П. с.- число мест; на грузовых вагонах - грузоподъёмность.
Каждому вновь построенному локомотиву и моторвагонному поезду присваивается буквенно-цифровое обозначение - серия.
Давно искал эту статью (в детстве, к сожалению, изничтожил небольшой архив "Техники молодежи"). Стиль написания, конечно, в лучших традициях советского технократического романтизма:-), да и автор ярый приверженец паровой тяги, но идея все же интересная.
ПАРОВОЗ XXI ВЕКА?
«Ах, какая чудная картина, когда по рельсам мчится паровоз!» Сейчас и песню эту мало кто помнит, и саму «чудную картину». А ведь было! Окутываясь клубами дыма, солидно покрикивая на переездах, паровозы везли по магистралям тяжелые составы.
В эпоху своего расцвета паровозы не без оснований считались шедеврами передовой инженерной мысли. Однако, пройдя более чем вековой путь развития, они уступили дорогу локомотивам с электрической тягой и тепловозам. 30 лет назад производство паровиков было прекращено, и вскоре они исчезли так же, как динозавры или мамонты. О былом величии паровой тяги свидетельствуют только отдельные музейные экземпляры.
Чем же они оказались плохи?
Критикуя какую-либо машину, обычно подчеркивают, что у нее КПД, как у паровоза. А какой он был? В монографии «Паровозы» (1949 г.) под редакцией академика С. П. Сыромятникова приведено значение 8,2%, достигнутое в опытном локомотиве Коломенского паровозостроительного завода.
У серийных паровозов КПД не превышал 7,8%. Это значит, что меньше десятой части энергии сгоревшего угля шло на полезную работу, остальная, в прямом и переносном смысле, вылетает в трубу. Хватает у паровоза и недостатков, связанных с эксплуатацией. Вспомним хотя бы тяжелейшую процедуру удаления накипи из котла. Тот, кто мучился, очищая вручную свой чайник, поймет, чего это стоило. И все же интерес к этим динозаврам технической эволюции пробудился вновь.
Какие же, ранее неведомые достоинства обнаружили у них специалисты? Может быть, мы и вправду скоро увидим мчащиеся по рельсам паровозы? Попробуем разобраться.
Достоинством обернулось то, что раньше считалось недостатком, - топление углем. О паровозе в Харьковском политехническом вспомнили как раз потому, что он работает на угле. В уникальном Канско-Ачинском бассейне наиболее дешевым, открытым способом можно добывать очень много этого топлива, но оно обладает довольно низкой теплотворной способностью, и его дальнейшая транспортировка к месту потребления нерентабельна. Вот тут-то, возможно, и окажется целесообразным применение паровозов. Расходуя местный низкосортный уголь, они могут повысить Эффективность транссибирских перевозок. В топке паровоза прекрасно сгорают и такие угли. Более того, при сжигании угольной пыли полнота сгорания топлива увеличивается почти до 95%. Одно это позволяет значительно уменьшить тепловые потери котла. За прошедшие годы этот способ усовершенствовали для электростанций. Его применение вполне возможно и на паровозе.
Итак, в пылеугольной топке энергия топлива почти полностью перешла в тепловую. Теперь ее надо «перекачать» в пар. Как это сделать наиболее эффективно? И опять ничего изобретать не надо, поскольку на тех же электростанциях прекрасно работают водотрубные котлы. Их конструкция рассчитана на высокое давление - это тоже вклад в повышение общего КПД паровоза. Перегрев пара, водо- и воздухоподогрев увеличивают КПД примерно на треть. Есть резервы и у самой паровой машины. Увеличить срок между чистками котла от накипи можно магнитной обработкой воды.
Как видите, резервы у обновленного паровоза есть. Именно их использовали сотрудники и студенты Харьковского политехнического института, разрабатывая новые паровые локомотивы. Проекты убедительно доказали, что возможно создание паровозов с КПД вдвое, а то и в трое большим, чем в прошлом.
Не вызывает сомнений, что современное состояние промышленности позволяет создать практически любой локомотив, например по одному из проектов ХПИ. Но от опытной машины до ее серийного производства путь не скор и не близок. А главное - он должен быть оправдан.
Теперь слово за экономикой. Паровоз, конечно, не альтернатива другим типам локомотивов. Но, кто знает, может быть, и ему найдется работа на железных дорогах XXI века.
КАКИМ ОН МОЖЕТ БЫТЬ?
Спроектированный в ХПИ паровоз трехсекционный. В нем 4 четырехосных экипажа, а на крайних секциях еще по двухосной бегунковой тележке. Поэтому осевая формула выгладит довольно замысловато: 2-4-0+(0-4-0+0-4-0)+0-4-2 (в скобках часть формулы, относящаяся к средней секции). Ее симметрия иллюстрирует одинаковую приспособленность локомотива к движению передним и задним ходом.
В бункере тендера 60 т специально приготовленной угольной пыли. Через 12 створок, каждая из которых имеет индивидуальный привод, он попадает в шнековый транспортер. Чтобы уголь не смерзался и не примерзал к стенкам, по всей наружной поверхности бункера расположены радиаторы обогрева. В морозы вентилятор будет закачивать туда отработанный горячий газ. Управлять подачей топлива - выбором степени и продолжительности открытия створок бункера, подбором скорости вращения шнека - будет, естественно, автоматика. Через форсунки топливо распыляется в факельной камере. Воздух для этого нагнетает центробежный вентилятор. Он прогоняет поток по специальным коробам, огибающим паровой котел. Нагретый воздух под давлением 0,3 атм и вдувает уголь. Горящая с температурой около 1500 о С смесь отдает тепло трубкам водотрубного котла, затем пароперегревателя, и наконец, водоподогревателя. Остывшие до 200 о С газы, очистив предварительно от золы, выбрасывают через дымовую трубу в атмосферу. Для очистки в поток газа впрыскивают воду. Водой же смывают и задержанную золу, которая накапливается в шлакосборном бункере. По предварительным оценкам, можно уловить до 95% пылеобразных шлаков, как раз и образовывавших традиционный дым. Так называемое мокрое шлакоудаление обеспечивает долговечность топки. Но самое главное - делает паровоз экологически чище.
В котле вода, нагреваясь, поднимается по трубкам, превращается в пар. Под давлением 32 атм он через 16 комплектов электроуправляемых клапанов подается в паровые машины. Когда машинист открывает регулятор, он направляет пар либо в 1, либо в 2, 3,…и, наконец, во все 8 блоков цилиндров. Таим образом, у локомотива 8 ступеней регулирования тяги. Так называемый мятый пар из машины идет в верхнюю часть пароконденсатора, где его принудительно охлаждают атмосферным воздухом. Из водосборника регенерированную воду через подогреватель закачивают в нижнюю часть котла.
Электроэнергией локомотив снабжают 2 генератора постоянного тока, один работает от паровой турбины, другой - только во время движения от бегунковой тележки пароконденсаторной секции. По расчетам, мощность его машин 8000 л. с., а КПД можно довести до 20-21%. Кроме того, за счет большого сцепного веса локомотив развивает тягу 65 тыс. кг.
ЧТО ДЕЛАЕТСЯ ЗА РУБЕЖОМ?
ПАРАМЕТРЫ ЛОКОМОТИВОВ С УГОЛЬНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ
Наименование параметра | ХПИ Проект | ACE 3000 (США) |
Длина по сцепкам, м | ||
Мощность максимальная, л. с. | 8000 | 3000 |
Высота, м | 4,3 | 4,3 |
Вес снаряженный, т | 420 | |
порожний, т | 360 | |
Количество движущих колесных пар | ||
Котел: тип | водотрубный | огнетрубный |
давление , атм | ||
температура перегретого пара , о С | 500 | 430 |
Машина: тип | однотактная | компаунд |
количество ступеней расширения пара | ||
Запас топлива, т |
Паровозы проектируют и американские специалисты. Их на это побудил топливный кризис 70-х годов. Сейчас проходит испытания локомотив ACE 3000. Он оснащен огнетрубным котлом, пароперегревателем, водо- и воздухоподогревателями. Давление котлового пара достигает 17 атм, а температура перегретого пара 430 о С. По этим показателям паровик мало отличается от своих предшественников тридцатилетней давности. И все же на испытаниях его КПД был около 18%.
Наиболее интересная новинка локомотива - топка, созданная аргентинцем Д. Порта. Процесс горения в ней протекает в две стадии. Сначала идет неполное сжигание угля, при этом образуется горючий газ с достаточно высокой температурой. Эта часть топки по принципу действия напоминает газогенератор. Тепло, выделенное при неполном сгорании угля, обогревает котел. Затем горючий газ очищают, пропуская сквозь распыленную воду, и смешивают с воздухом. Рабочая смесь сгорает в газовых каналах огнетрубного котла. Небольшая паровая турбина отсасывает продукты сгорания, прогоняет их сквозь многозвенный сепаратор (циклон), очищая от остатков золы. Так что вместо черного облака над локомотивом вьется лишь легкая дымка.
Замкнутая система циркуляции воды и пара позволяет эксплуатировать локомотив без промывки котла целый год. Напомним, что старые паровозы требовали этой довольно сложной операции каждые 40-60 суток.
В ACE 3000 есть и новинка в духе времени - это бортовой компьютер. Паровозная ЭВМ по своим задачам сродни автопилоту на самолете. Она тоже может управлять локомотивом, правда только после разгона поезда. Компьютер контролирует процесс горения топлива, следит за сцеплением колес с рельсами, выполняет другие функции, причем не только на самом паровозе, но и, например, на тепловозах, работающих вместе с ACE 3000 двойной тягой. Естественно, что тепловозы в этом случае должны быть оснащены аналогичными компьютерами.
Интересно, что, исследуя около 30 первичных двигателей и их модификаций для локомотивов, американские специалисты расположили их в зависимости от расходов на годовую эксплуатацию. Паровая машина в этом списке оказалась третьей, несколько уступив в рентабельности газовой турбине и двигателю Стирлинга. Дизель, кстати, был только 14-м. Правда, эта классификация очень зависит от цены на нефть, которая сильно колеблется, но все же показательна.
Специалисты считают, что пока паровоз требует более глубокой проработки. Только поездная работа опытного образца, а лучше нескольких машин, в реальных условиях на одной из крупнейших железных дорог раскроет все положительные и отрицательные свойства паровика нового поколения.
Олег КУРИХИН, кандидат технических наук
Журнал «Техника молодежи», 01-1987 г. (орфография и синтаксис сохранены)
Настроение: happy
