Д.В. ЯКОВЛЕВ

УПРАВЛЕНИЕ

ГРУЗОВЫМ

ЭЛЕКТРОВОЗОМ

И ЕГО

ОБСЛУЖИВАНИЕ

(КРАТКИЙ КОНСПЕКТ)

ИЗДАТЕЛЬСТВО

«ТРАНСПОРТ»

1985г.

Глава I. Основы тяги и торможения

1. Режимы движения поезда и силы, действующие на него

Различают три основных режима движения поезда: тяга, выбег и торможение. В режиме тяги (контроллер включен) на поезд действуют сила тяги локомотива и силы сопротивления движению при выбеге (контроллер выключен), поезд движется по инерции в режиме торможения, на поезд действует как сила торможения, так и силы сопротивления движению. Сила инерции проявляет себя во всех случаях изменения режима движения поезда.

Если сила тяги больше сил сопротивления, то ее избыток идет на преодоление инерции поезда, скорость движения которого возрастает до тех пор, пока силу тяги не уравновесят силы сопротивления движению. В дальнейшем поезд движется с одной и той же скоростью, называемой установившейся. Когда силы сопротивления движению поезда превышают силу тяги, поезд движете; с замедлением. В этом случае, а также при торможении инерция поезда препятствует снижению скорости.

Умело регулируя силы тяги и торможения, учитывая инерцию поезда и сопротивление его движению, машинист добивается плавности разгона поезда, ведения его строго по расписанию и обеспечивает остановку в требуемом месте.

2. Образование силы тяги электровоза

Вращающий момент тягового электродвигателя электровоза через зубчатую передачу передается на колесную пару; этот момент Мк (рис. 1) в соответствии с правилами механики можно представить в виде пары сил F и F1 с плечом действия Rк (здесь Rк — радиус колеса).

Итак, Mк = FRк а F=F1=Mк/Rк.

Колесная пара давит на рельсы с определенной силой, поэтому между колесом и рельсом возникает сцепление, препятствующее проскальзыванию колес. Если сцепление достаточно, то в точке касания колеса и рельса возникает сила, равная по значению силе, но противоположно направленная. Эта сила и является той внешней силой, без которой невозможно движение; ее называют касательной силой тяги на ободе колеса.

Силой тяги на ободе колеса называют внешнюю силу, приложенную к движущему колесу локомотива в направлении его дви­жения и вызывающую перемещение локомотива и состава.

Эта сила прямо пропорциональна вращающему моменту тяго­вого двигателя, передаточному отношению зубчатой передачи и обратно пропорциональна радиусу колеса.

При достаточном сцеплении колеса с рельсом силы уравновешиваются и движение колесной пары происходит под действием оставшейся неуравновешенной силы, приложенной к оси колесной пары и буксе.

Уменьшение диаметра колеса при обычном опорно-осевом под­вешивании двигателя невозможно, поскольку недопустимо изме­нить габариты тягового двигателя по высоте, что привело бы к пони­жению его мощности; увеличение передаточного числа может происходить за счет увеличения или радиуса большого зубчатого колеса (рис. 2), или радиуса малого зубчатого колеса (шестер­ни). Однако к настоящему времени эти возможности практически исчерпаны: большое зубчатое колесо грузовых электровозов, имея число зубьев 88, нижней частью (с учетом кожуха передачи) выходит за габарит подвижного состава по отношению к деталям автоматизированных сортировочных горок станций, а радиус ше­стерни не может быть снижен по условиям ее прочности.

Рис.1. Схема, образования сил тяги. Рис.2. Схема передачи вращающего момента ТЭД к КП.

Под силой тяги электровоза подразумевают сумму сил тяги развиваемых всеми колесными парами электровоза.

Таким образом, основными путями увеличения силы тяги элек­тровоза следует считать повышение числа колесных пар (числа секций у электровоза) или вращающего момента тяговых двигателей; однако и увеличение момента имеет свои ограничения, о которых будет указано ниже. Следует заметить, что при одинаковом токе тяговых двигателей электровозы с колесами, изношенными по диаметру, имеют несколько большую силу тяги (но и меньшую скорость движения). Так, толщина новых бандажей грузовых электровозов допускается до 100 мм, а предельно изношенных — 40 мм (с учетом проката 7 мм), т. е. наибольшая разность диаметров новых и изношенных колес 120 мм, что составляет почти 10% полного диаметра колеса. Электровоз с но­выми бандажами развивает силу тяги на 10% меньшую, чем с предельно изношенными.

3. Сопротивление движению поезда

Возникающие при движении поезда силы трения в узлах подвижного состава, силы взаимодействия между подвижным составом и путем, наружными поверхностями подвижного состава и окружающей воздушной средой, а также силу тяжести, проявляющуюся на уклонах пути, относят к силам сопротивления движе­нию поезда. Равнодействующая всех этих сил обычно направлена против направления движения и лишь на крутых спусках совпа­дает с ним. Значения всех сил сопротивления не зависят от маши­ниста, однако он должен знать, что эти силы, из-за разных причин, изменяются, и в соответствии с этим при ведении поезда регулировать режим работы электровоза.

Полное сопротивление движению поезда (локомотива и ваго­нов) W подразделяют на основное W0 и дополнительное Wд

W=Wo+Wд

Основное сопротивление движению. Оно представляет собой сумму всех сил, препятствующих движению на прямых горизон­тальных участках пути, и возникает в результате взаимного тре­ния деталей подвижного состава, сопротивления от взаимодействия; пути и подвижного состава, а также сопротивления воздушной среды при отсутствии ветра.

Сопротивление от взаимного трения деталей подвижного состава. Это сопротивление, прежде всего, зависит от силы трения в буксовых подшипниках колесных пар, определяется типом и состоянием подшипников, качеством и количеством смазки, температурой наружного воздуха (влияет на вязкость смазки), скоростью движения поезда и нажатием подшип­ника на шейку оси. В роликовых буксовых подшипниках вместо трения скольжения действует трение качения, что обеспечивает значительное уменьшение сил трения; следует учитывать, что сила нажатия на буксовую шейку оси колесной пары электровоза пре­вышает 10 тс, а у полностью груженых вагонов достигает 9 тс.

Внутреннее сопротивление движению электровоза обусловлено также трением в зубчатой передаче, якорных и моторно-осевых подшипниках, между щетками и коллекторами тяговых двигателей и т. п. Внутреннее сопротивление уменьшается при правиль­ном уходе и исправном состоянии этих узлов.

Сопротивление от взаимодействия пути и по­движного состава. Оно возникает в результате трения каче­ния и трения скольжения между колесами и рельсами. При боль­шой твердости материала колес и рельсов они меньше вдавли­ваются друг в друга и трение качения уменьшается; применений бесстыкового пути и рельсов более тяжелого типа также уменьшает это трение. Трение скольжения между колесом и рельсом возни­кает при неравенстве диаметров колес одной колесной пары, соприкосновении гребней бандажей с боковыми гранями головок рельсов и поперечном скольжении во время виляния тележек. Чем выше скорость, тем больше препятствуют движению эти явления.

Необходимо учитывать также толчки от набегания колес на торцы рельсов на стыках, крестовинах стрелочных переводов. Это сопротивление может быть снижено улучшением содержания по­лотна железной дороги и рельсов, а также увеличением длины рельсов. Неровности рельсов или бандажей колес (выбоины, оваль­ность) также увеличивают сопротивление движению, так как при вертикальном перемещении ходовых частей часть энергии локомо­тива поглощается деталями рессорного подвешивания, как самого электровоза, так и вагонов; кроме того, имеются потери энергии в обрезиненных деталях поводков букс.

Сопротивление воздушной среды. Оно вызывается давлением воздуха на лобовую поверхность подвижного состава, разрежением воздуха за задней торцовой стенкой каждого вагона и трением поверхности подвижного состава о воздух. На значе­ние этого сопротивления наибольшее влияние оказывают скорость движения поездов, форма вагонов и локомотива.

Мероприятия по уменьшению основного сопротивления движе­ния:

- полная загрузка вагонов; правильное формирование составов (сосредоточение однотипных вагонов по группам — полувагонов, платформ и т. п.);

- закрытие дверей и люков, улучшающее обте­кание вагонов воздухом;

- устранение трения тормозных колодок о колеса;

- улучшение состояния верхнего строения пути;

- сокраще­ние времени стоянок, облегчающее трогание составов с места, особенно в зимнее время.

Подсчет основного сопротивления движению: Полное основное сопротивление движению поезда Wо складывается из основных сопротивлений движению локомотива W'о и состава W''o, т. е.

Wo=W'o+W''o.

Дополнительное сопротивление движению поезда. Это сопротивление возникает при движении в кривых, по уклонам, при низкой температуре наружного воздуха и сильном встречном и боковом ветре.

Для уменьшения дополнительного сопротивления движении смягчают профиль пути, увеличивают радиусы кривых, смазывая боковые поверхности головок наружных рельсов в кривых или гребни бандажей специальной смазкой, закрывают двери грузовых вагонов, пассажирские вагоны скоростного движения выполняют более обтекаемой формы.

Сопротивление от уклонов. Крутизну уклона определяют как отношение разности высот (от горизонтальной линии начала и конца уклона к длине участка, на котором расположен уклон, т. е.

I= MH/МО.

Сопротивление от кривых участков пути. При движении по кривым под действием силы инерции гребни банда­жей колесных пар прижимаются к боковой поверхности головки наружного рельса, что приводит к возникновению тремя между ними. При большой кривизне пути, малом поперечном разбеге колесных пар в трехосных тележках не только концевые колес­ные пары прижимаются к наружному рельсу, но и средние (2-я и 5-я) к внутреннему рельсу. Кроме того, возникают дополнитель­ные усилия в опорах кузовов и ударно-тяговых приборах, как у ло­комотивов, так и у вагонов. Все это вызывает дополнительное сопротивление движению в кривой.

Сопротивление движению от ветра. Встречный или боковой ветер вызывает дополнительное сопротивление движению, особенно возрастающее при высоких скоростях; попутный ветер способствует повышению скорости движения. Боковой ветер, при­жимая гребни колес к рельсам, приводит к значительному увели­чению сопротивления движению, особенно вагонов, следующих с открытыми дверями и люками.

Сопротивление движению от низкой температуры наружного воздуха. При низких температурах со­противление движению возрастает в основном за счет повышения вязкости смазки в узлах трения. Его учет рекомендуется произ­водить при температурах ниже — 25°С в процентах от основного сопротивления движению; например, для грузовых вагонов при скорости 80 км/ч и температуре воздуха — 30 °С это повышение сопротивления принимается равным 7%.

4. Сцепление колес с рельсами, ограничение силы тяги по условиям сцепления

Сцепление колеса с рельсом тем сильнее, чем больше сила Ро (см. рис. 2), с которой колесная пара давит на рельс. Сцепле­ние, необходимое для реализации силы тяги, можно получить лишь при условии, что некоторая доля этой силы Ро будет больше силы тяги Fкд, развиваемой данной колесной парой.

Если сила тяги превысит силу сцепления, то сцепление нару­шится, колесо начнет проскальзывать по рельсу, при этом сила сцепления резко уменьшится, колесо как бы лишится упора и начнет вращаться все быстрее. Это явление называют боксованием; при нем вращающий момент, развиваемый двигателем и реализуемый колесной парой, падает (из-за уменьшения тока и коэффициента сцепления) и сила тяги снижается, что прежде всего вызывает уменьшение скорости движения поезда; возможно и нарушение коммутации двигателей локомотива.

Чтобы определить наибольшую допустимую силу тяги электро­воза, необходимо знать значение коэффициента сцепления.

Коэф­фициент сцепления зависит от многих факторов: состояния поверх­ности рельсов (масляные пятна, торфяная или угольная пыль, листья уменьшают сцепление, песок — увеличивает); общего со­стояния пути; радиуса закругления и возвышения рельсов на кри­вых участках пути. При небольшом дожде коэффициент сцепле­ния снижается, однако при сильном дожде, смывающем грязь с рельсов, уменьшения коэффициента сцепления не наблюдается.

На коэффициент сцепления влияют также факторы, зависящие от состояния электровоза. Так, повышенный прокат бандажей, разность в диаметрах по кругу катания комплекта колесных пар или колес одной колесной пары, большие поперечные разбеги колесных пар, различие жесткости рессор и пружин, неудачный подбор тяговых двигателей по характеристикам ухудшают сцепле­ние, особенно с ростом скорости движения. Большая инерция (масса, диаметр) вращающихся частей, связанных с двигателем, препятствует развитию боксования.

Коэффициент сцепления у электровозов переменного тока до скорости 50 км/ч выше, чем у электровозов постоянного тока; это является следствием того, что на электровозах переменного тока тяговые двигатели соединены параллельно, а на электровозах постоянного тока — последова­тельно или последовательно-параллельно. У электровозов ВЛ80Р коэффициент сцепления при скоростях, соответствующих режиму пуска, еще несколько выше за счет плавного (не ступенчатого), повышения пускового тока и вращающего момента тяговых дви­гателей.

При использовании трех- или четырёх секционных электровозов ВЛ80С и BЛ11 указанные значения силы тяги пропорционально увеличиваются соответственно в 1,5 или 2 раза, но они не превы­шают значений, соответствующих прочности автосцепок СА-3 и модернизированной автосцепки СА-ЗМ, рассчитанной на усилие 250 тс.

5. Последствия боксования колесных пар, предупреждение и прекращение боксования

Боксование электровозов — явление частое и довольно опасное. Оно возникает, когда сила тяги превысит силу сцепления колес с рельсами, что приводит к уменьшению силы тяги. Сильное боксование могут вызвать механические или электрические по­вреждения деталей и узлов электровоза.

Причины механических и электрических повреждений и их последствия. При возникновении боксования коэффициент сцепле­ния резко снижается, так как трение покоя (сравнительного) заменяется трением скольжения, и под действием значительного вращающего момента двигателя увеличивается частота вращения якоря и колесной пары. Вследствие этого под влиянием центро­бежной силы проводники обмотки якоря начинают растягивать скрепляющие их бандажи, пластины коллектора увеличивают дав­ление на миканитовые манжеты конусов якоря и т. д. Частота вращения якоря может превысить допустимое значение, предусмотренное при создании машины, что может привести к полному ее разрушению.

Проскальзывание колес приводит к быстрому износу бандажей и рельсов. Об этом свидетельствуют риски на рельсах станционных путей в местах отправления поездов.

Довольно опасно резкое прекращение боксования, например подачей большого количества песка. В этом случае большая часть запасенной кинетической энергии отдельных деталей превращается в энергию удара, в результате чего повреждаются изоляция обмотки якоря, ее крепление в пазах, зубья передачи. Корпус тягового двигателя с опорно-осевым подвешиванием в этот момент как бы приседает или подпрыгивает, поворачиваясь вокруг колесной пары. В результате могут произойти также излом деталей подвески двигателя, проворот бандажей колесных пар и друг повреждения механической части электровоза.

Не менее серьезны последствия электрических повреждений возникающих в результате нарушения коммутации, а на электровозах постоянного тока — и вследствие повышения напряжения на коллекторе двигателя, связанного с боксующей колесной парой (на электровозах переменного тока напряжение на двигателях также повышается, но незначительно).

Нарушение коммутации и, как следствие этого, круговой огонь на коллекторе «боксующего» двигателя возникают из-за значительного снижения времени коммутации тока в витках обмотки якоря; в большей мере это относится к двигателям электровозов переменного тока, у которых коммутация и без того осложнена пульсацией тока в обмотках полюсов и якоря. На электровозах постоянного тока всегда последовательно включаются не менее двух тяговых двигателей. Поскольку направление индуктированной э. д. с. противоположно приложенному к двигателю напряжению, степень ее возрастания соответствует степени возрастания сопротивления «боксующего»: тягового двигателя (условно) по сравнению с сопротивлением «небоксующего» тягового двигателя рассматриваемой цепи. Это приводит, с одной стороны, к уменьшению тока этой вет­ви по сравнению с параллельными ветвями, а с другой — к повышении: напряжения именно на якоре «боксую­щего» двигателя. В качестве примера на (рис. 3) показано распределение падений напряжений на двух потребителях с разным сопротивлением и в случае боксования ТЭД (рис.4).

Повышенное напряжение на кол­лекторе «боксующего» двигателя вызы­вает увеличение напряжения между соседними коллекторными пластинами; при некотором значении этого напря­жения небольшие искры, возникаю­щие на коллекторе под щетками даже при нормальной коммутации, могут перейти в электрическую дугу — воз­никает круговой огонь.

Рис.3. Сопоставление значений падения Рис. 4. Распределение напряже­ния (приближенно) на напряжений. обмотках двух последовательно соединен­ных ТЭД:

а — при нормальной работе, б — при боксовании

колесной пары, спаренной в блоке с двигателем.

При чистых изоляторах кронштей­нов щеткодержателей электрическая дуга распространяется от плюсового к минусовому щеткодержателю; обмотка якоря как бы заканчивается. На элек­тровозах постоянного тока это приво­дит к перегрузке двигателя, включен­ного последовательно с «боксующим», в результате чего может начаться боксование колесной пары и, этого дви­гателя.

На электровозах переменного тока (рис.5) круговой огонь приводит к короткому замыканию тягового трансформатора и протеканию по его обмот­кам и через выпрямители значитель­ного тока, опасного для всех элемен­тов цепи.

При запыленном и влажном воздухе внутри двигателя или при загрязнен­ных изоляторах кронштейнов щетко­держателей дуга перебрасывается на остов тягового двигателя. Для электро­возов постоянного тока (рис.6. а) это соответ­ствует полному (или частичному) ко­роткому замыканию контактной сети на рельсы, а на электровозах переменного тока (рис.6. б) вызывает короткое замыкание вторичной обмотки тягового трансформатора.

Рис. 5. Прохождение тока при перебросе Рис. 6. Прохождение тока при перебросе электрической

электрической дуги по коллектору дуги с коллектора на остов тягового двигателя электро­-

тягового двигателя электровоза возов постоянного тока (а) и переменного (б)

переменного тока

Под действием кругового огня оплавляется рабочая поверхность пластин коллектора и петушков в случае переброса дуги на поверхности изолятора кронштейна щет­кодержателя он разрушается. Особенно тяжелые последствия вызывает переброс дуги на нажимной конус коллектора или сердеч- ника полюсов. Осматривая сильно «боксовавший» двигатель, часто обнаруживают почернение поверх­ности коллектора, капельки меди на концах его пластин и щеткодержателях, следы подгаров на поверхности миканитового конуса коллектора, на изоляторах пальцев кронштейнов щеткодержателей и изоляции катушек полюсов.

Не всегда возникшее искрение переходит в круговой огонь. При незначительном превышении допустимой частоты вращения якоря боксование может продолжаться довольно долго, не вызывая серьезных повреждений, но оно сильно влияет на режим ведения поезда. Повышение ЭДС «боксуюшего» двигателя вызывает уменьшение тока цепи, в которую он включен, что затрудняет разгон и ведение поезда. Наиболее резко падает сила тяги у электровоза постоянного тока при последовательном соединении дви­гателей, когда увеличение э. д. с. одного двигателя вызывает понижение тока всех остальных. При параллельном соединении тяговых двигателей (в каждой из цепей включено два двигателя последовательно) в случае боксования одной колесной пары происходит наименьшая потеря силы тяги, поскольку умень­шается ток и вращающий момент только двух двигателей: «боксующего» и соединенного последовательно с ним.

Меньшее снижение силы тяги наблюдается у электровозов переменного тока, поскольку при постоянном параллельном соединении двигателей кратковременное уменьшение тока в одном из них практически не влияет на работу остальных. Однако при сле­довании по крутому подъему длительное боксование одной из ко­лесных пар приводит к падению силы тяги, снижению скорости поезда и перегрузке двигателей, находящихся в других параллельных цепях, вследствие чего могут начать боксовать и другие ко­лесные пары.

Обнаруживают боксование по загоранию сигнальных ламп, характерному звуку, колебанию стрелки амперметра двигателей (в основном в сторону понижения тока), а иногда по незначи­тельному колебанию стрелки вольтметра сети.

Меры предупреждения и прекращения боксования. Предотвратить боксование значительно легче, чем прекратить его. Чтобы предотвратить боксование, применяют песок для повышения сцепления колес с рельсами, особенно при влажной и загрязненной поверхности. Подавать песок следует часто, но малыми порциями, т. е. импульсно. Длительная подача песка приводит к ухудшению условий качения колесных пар электровоза и вагонов поезда, т. е. к такому увеличению сопротивления движению, которое не может быть компенсировано увеличением силы тяги электро­воза, обусловленным восстановлением сцепления его колес с рель­сами.

Подавать песок нужно при входе в кривую и проследовании ее на прямых участках пути в сырую и снежную погоду, при из­морози, гололеде, листопаде, торфяной и угольной пыли на рель­сах, особенно при больших токах двигателей. При боковом ветре подачу песка усиливают. Когда поезд подходит к месту, где воз­можно возникновение боксования, целесообразно применить вспо­могательный локомотивный тормоз одновременно с подачей песка, чтобы очистить тормозными колодками поверхность качения банда­жей колес от масла и грязи. Давление воздуха в тормозных ци­линдрах не должно превышать в этом случае 0,01—0,02 МПа.

В случае возникновения боксования уменьшают ток тяговых двигателей, перемещая рукоятку контроллера машиниста с пози­ций ослабленного возбуждения (ОВ) на позиции полного воз­буждения; если боксование возникло при полном возбуждении, то соответствующим перемещением рукоятки контроллера снижают напряжение на тяговых двигателях. На большинстве современных электровозов применены соответствующие защитные схемы, в ка­кой-то мере упреждающие указанные действия машиниста и обес­печивающие автоматическую подсыпку песка под колеса (усовер­шенствованная противобоксовочная защита на электровозах ВЛ10У и многих ВЛ10, схемы импульсной подачи песка на ВЛ80 всех индексов и т. п.).

Для борьбы с начавшимся разносным боксованием можно ре­комендовать притормаживание колес вспомогательным локомотив­ным тормозом; давление воздуха в тормозных цилиндрах при этом должно быть в пределах 0,1—0,15 МПа. Естественно, что сильное и длительное торможение снижает силу тяги электровоза и поэтому недопустимо, возможны также юз колес, нагрев бандажей, ослаб­ление их посадки, перегрузка током двигателей, выпрямителей, пусковых резисторов.

После прекращения боксования постепенно восстанавливают прежний режим работы тяговых двигателей (повышая напряжение на них, применяя ступени ОВ).

6. Электромеханические характеристики тяговых электродвигателей и тяговые характеристики электро­возов. Пуск электровоза

Полный вращающий момент двигателя складывается из вра­щающих моментов, созданных многими парами проводников, лежащих на якоре под разнополярными главными полюсами.

Совокупность пар сил, создаваемых всеми проводниками, назы­вают вращающим моментом двигателя.

На электровозах постоянного тока применяют пересоединение тяговых двигателей и ввод (вывод) в цепь резисторов; на электровозах переменного тока изменяют коэффициент трансформации путем переключения выводов вторичной (или первичной) обмотки тягового трансформатора. В период пуска к двигателю должно быть подведено пониженное напряжение.

Так, если к двигателю ТЛ-2К подвести сразу его рабочее напря­жение Uk= 1500 В, то ток в его обмотках будет около 1600А.

Такой ток разрушит не только тяговый двигатель, но и приведет к повреждению аппаратов электровоза (или отклю­чению тяговой подстанции).

Практически к тяговым двигателям в начале пуска подводится напряжение 18—50В (в зависимости от серии электровоза); при таком напряжении ток, вращающий момент двигателей и сила тяги локомотива достаточны для трогания с места электровоза и небольшого числа головных вагонов поезда; постепенно повышая напряжение на двигателях (переходя на более высокие позиции контроллера), машинист увеличивает силу тяги электровоза, что приводит к началу движения всего состава.

На электровозах ВЛ11 и ВЛ10У на первых позициях пуска применяют режим глубокого ослабления возбуждения. Току режима ослабленного возбуждения соответствует небольшая сила тяги, а после перехода на режим полного воз­буждения потребляемый ток электровоза снижается, но сила тяги возрастает; это дает возможность снизить начальную силу тяги для плавного трогания состава и значительно уменьшить число пусковых резисторов.

На электровозах переменного тока, при применении режимов ослабленного возбуждения, происходят те же явления, однако ток двигателей в момент применения режима ОВ возрастает более плавно из-за индуктивности обмоток трансформатора и реакторов; на низших позициях пуска режим ОВ нерационален из-за повы­шенных потерь в сердечнике трансформатора, поэтому машинисту рекомендуется выходить на более высокое напряжение на двига­телях переключением выводов трансформатора.

7. Мощность, к. п. д. и нагревание тяговых двигателей

Различают следующие виды мощности электровоза: электри­ческую мощность, потребляемую двигателями из сети; механиче­скую мощность, развиваемую на валах двигателей; мощность на ободе колес. Все эти виды мощности выражают в электрических единицах — киловаттах (кВт).

Мощность тягового двигателя. Под ней понимают ту наиболь­шую работу, которую двигатель может произвести за определенный промежуток времени без повреждения его частей. Как и у любой электрической установки постоянного тока, потребляемая мощ­ность тягового двигателя определяется подведенным к нему напря­жением Uk и током I, т. е. P=UkI.

Напряжение на коллекторе (на выводных зажимах) одного двигателя при неподвижном электровозе на 1-й позиции составляет всего 18—50 В. На электровозе постоянного тока, выводя пуско­вые резисторы и переходя на последовательно-параллельное, а за­тем и параллельное соединение, доводят напряжение до 1500 В; допустимо повышение напряжения до 2000В в течение непродол­жительного времени (период рекуперации).

Дальнейшее повышение напряжения при существующей кон­струкции двигателя ограничено допустимой разностью потенциа­лов между соседними коллекторными пластинами. Для большин­ства электровозных двигателей эта величина составляет 15—21В, однако из-за неравномерности магнитного потока под главными полюсами, в котором находятся проводники обмотки якоря (раз­ная ЭДС отдельных проводников), напряжение между соседними коллекторными пластинами может фактически достигать 35В, а в отдельных случаях быть еще больше. При неблагоприятных условиях коммутации и высоком напряжении между пластинами искрение на коллекторе может перейти в круговой огонь.

Ток в тяговых двигателях может изменяться от нуля до зна­чения уставки реле перегрузки; на электровозах с двигателями НБ-406 эти реле отрегулированы на ток срабатывания 625А, а с двигателями ТЛ-2К — на 750А.

Фактически такие токи достигаются очень редко и длительное их протекание недопустимо.

К. п. д. тяговых двигателей. Механическая мощность, отдавае­мая двигателями зубчатой передаче, всегда меньше электрической мощности, потребляемой двигателями из контактной сети, вследствие электрических, магнитных и механических потерь энергии, возникающих в двигателе при работе.

Электрические потери обусловлены тем, что ток, про­ходя по проводникам обмоток двигателя, нагревает их, на что расходуется некоторая часть подведенной энергии.

Магнитные потери образуются, во-первых, при враще­нии сердечника якоря в магнитном поле, при этом он перемагничивается и возникают вихревые токи, нагревающие его; во-вторых, за счет пульсации основного магнитного потока, особенно сильной у двигателей электровозов переменного тока.

Механические потери происходят в результате трения щеток о коллектор, в подшипниках и сердечника якоря о воздух.

Все эти потери проявляются в виде тепловой энергии; значе­ние их довольно велико — 5—8 % и более. Таким образом, на валы двигателей, т. е. к зубчатой передаче, поступает только часть подведенной мощности. Так, у двигателя НБ-406 при часовом ре­жиме его работы теряется в виде тепла 7,9 % подведенной энергии, или 570-7,9/100 = 45 кВт, здесь 570 — потребляемая мощность двигателя, кВт.

Отношение мощности, передаваемой валу тягового двигателя, к мощности, потребляемой двигателем, называют коэффициентом полезного действия двигателя (к. п. д.).

Мощность и к. п. д. электровоза на ободе колеса. Как уже установлено, мощность, потребляемая одним двигателем, P—UI. Мощность, потребляемая электровозом на тягу и регистрируемая счетчиком электроэнергии, равна мощности двигателя, умножен­ной на число двигателей, а полезная мощность электровоза равна мощности, потребляемой всеми двигателями, умноженной на к. п. д. двигателя и зубчатой передачи.

Так, у двигателя НБ-418К (электровозы ВЛ80 всех индексов) ток часового режима 880 А, напряжение 950 В, следовательно, потребляемая мощность Р = UкI = 950 • 880 = 836000 Вт = 836 кВт.

К. п. д. электровоза. Если учесть потери энергии во вспомо­гательном оборудовании (в мотор-вентиляторах, мотор-компрессо­рах, резисторах, электропечах обогрева кабин, генераторах управ­ления, аппаратах силовой цепи, а на электровозах переменного тока и в трансформаторе, выпрямителях, реакторах и мотор-на­сосах), то фактически к. п. д. электровоза не превышает 80—84 %. Следует учитывать, что к. п. д. электрической тяги в целом зна­чительно, ниже к. п. д. электровоза вследствие потерь энергии, возникающих при преобразовании топлива на тепловых электри­ческих станциях или в установках гидроэлектростанций, на тяго­вых подстанциях железных дорог и в линиях электропередачи.

Нагревание тяговых двигателей. Все виды потерь в двигате­ле — электрические, магнитные и механические — проявляются в виде тепловой энергии, а значение их может быть достаточно велико. Для двигателя НБ-406 было показано, что мощность по­терь составляет 45 кВт при работе в часовом режиме, а у двига­теля НБ-418К потери примерно такие же (836 — 790 = 46 кВт).

Мощность всех электропечей одной кабины машиниста составляет 5—8 кВт (в зависимости от серии электровоза), т. е. во много раз меньше, чем мощность потерь в тяговых двигателях.

Мощность двигателей принято характеризовать двумя значе­ниями:

мощностью продолжительного режима, т. е. такой наибольшей мощностью, развивая которую, двигатель не нагреется свыше наибольшей допустимой температуры за продолжительное время работы; часовой мощностью — такой наибольшей мощ­ностью, развивая которую, двигатель нагреется от холодного со­стояния до наибольшей допустимой температуры за 1 ч.

8. Ограничения в использовании электровозов

Использование электровозов ограничено: усло­виями сцепления колес с рельсами; мощностью тяговых двигателей (наибольшим напряжением, допустимым по коммутации, и током в сочетании со временем его протекания, определяющими нагрев двигателей). Электровоз каждой серии имеет также вполне опре­деленную конструкционную скорость.

Помимо этих основных ограничений, в отдельных случаях могут быть другие, ограничение по напряжению в контакт­ной сети в момент рекуперации и по соотношению тока якоря и тока возбуждения двигателей в режиме электрического торможе­ния. При взятии состава с места на тяжелом подъеме на электро­возах постоянного тока приходится считаться с возможным пере­гревом пусковых резисторов.

На электровозах переменного тока при снижении напряжения в контактной сети до 19—21 кВ возможен отказ в работе асин­хронных двигателей компрессоров, вентиляторов и насосов, а так­же перегрев обмоток отдельных фаз, особенно при недостаточной емкости подключенных к ним конденсаторов. На работу электро­возов постоянного тока при длительном понижении напряжения в контактной сети может оказать влияние снижение подачи венти­ляторов (перегрев тяговых двигателей) и компрессоров (недоста­точное количество воздуха для управления тормозами, песочни­цей и звуковыми сигналами).

У электровозов масса, приходящаяся на одну ось, составляет 23—25 т, а плавность хода электровозов некоторых серий недо­статочна, особенно при неправильном содержании рессорных систем, опор кузова, амортизаторов и при больших поперечных разбегах колесных пар, поэтому на отдельных участках со слабым верхним строением пути предельная скорость движения электро­возов той или иной серии ниже их конструкционной скорости, оговоренной заводом-изготовителем.

Ограничение по конструкционной скорости. Обычно предель­но допустимая скорость движения электровоза ограничена проч­ностью коллектора и закрепления обмотки якоря, а лишь в от­дельных случаях — воздействием на путь. Связь между частотой вращения якоря двигателя, диаметром колес электровоза и передаточным числом зубчатой передачи. Наибольшая допустимая частота вращения якоря двига­теля НБ-418К6 nтах= 1950 об/мин; при диаметре колеса Dk = 1,25 м и передаточном отношении 4,19 Vконстр = 0,188-1950-1,25/4,19 = 110 км/ч.

Передаточному отношению 2,73 соответствует наибольшая допустимая скорость движения электровоза

Ограничение по нагреву пусковых и тормозных резисторов.

У электровозов постоянного тока при взятии поезда с места на крутом подъеме приходится считаться с ограничением по нагреву пусковых резисторов (реостатов), когда машинист, опасаясь боксования колесных пар, долго не выводит главную рукоятку контрол­лера на безреостатную (ходовую) позицию.

Длительная же задержка рукоятки контроллера на реостатных позициях приводит к превышению допустимой температуры на­грева (перегреву) пусковых резисторов, а иногда и к пережогу, расплавлению и замыканию их элементов между собой. Особенно сильно перегреваются резисторы при нарушении их нормальной вентиляции (закрыты жалюзи), а также при работе вентиляторов на низкой частоте вращения. Допустимая температура нагрева резисторов всех типов 450 °С (кроме резисторов типа ПЭВ).

Во избежание превышения допустимой температуры нагрева пусковых резисторов руководства по эксплуатации, изданные за­водами-поставщиками электровозов, предусматривают длитель­ность выдержки главной рукоятки контроллера на каждой пози­ции не более 30 с.

На электровозах переменного тока BЛ80T и BЛ80C при рабо­те в режиме реостатного торможения происходит значительный нагрев тормозных резисторов. Во избежание их повреждения инструкция Новочеркасского электровозостроительного завода (НЭВЗ) рекомендует поддерживать ток не более

830 А. Система охлаждения должна обеспечивать нормальную вентиляцию около на каждый блок тормозных резисторов.

Прочие ограничения. Ограничения в использовании мощности электровозов при рекуперативном торможении. Кроме указанных ограничений, связанных с использованием мощности тяговых двигателей или других узлов, в эксплуатации; могут встретиться и другие. Например, тяга тремя электровозами в голове поезда недопустима. При необходимости вести поезд тремя локомотивами следует применять двойную тягу с подталкиванием в хвосте или середине поезда. Это условие связано с ограничениями по прочности автосцепных приборов, искусственных сооружений и системой управления автотормозами.

Общее число поднятых токоприемников, у двух электровозов, размещенных в составе рядом, не должно превышать трех, чтобы не произошло значительного подъема контактного провода, при ко­тором концы полозов токоприемников могут задеть за фиксаторы или контактные провода, отходящие в сторону на стрелках или в местах анкеровки.

При пересылке электровозов на другие дороги учитывают воз­можные ограничения по габаритам. У электровоза из габарита подвижного состава 1Т выходят токоприемники, приемное устрой­ство автостопа, иногда антенна радиостанции, а также кожуха зубчатой передачи при большом износе бандажей колесных пар. Иногда при пересылке электровозов в холодном состоянии токоприемники приходится отправлять от­дельно. Кожуха зубчатой передачи допускают проследование элек­тровозов по большинству железных дорог без ограничений (кроме автоматизированных сортировочных горок).

9. Определение массы состава

При переходе на другие виды тяги, внедрении локомотивов новых серий, изменении технической оснащенности участков желез­ных дорог выполняют тяговые расчеты. Основная задача этих рас­четов — предварительное определение массы поезда, скорости его движения и перегонных времен хода. Определяют количество элек­троэнергии, потребляемой электровозом, и температуру нагрева тяговых двигателей.

Тяговые расчеты выполняют в такой после­довательности:

условно спрямляют профиль пути участка; предварительно определяют массу состава;

рассчитывают удельные силы, действующие на поезд при тяге, выбеге и торможении;

строят графики изменения скорости движения электровоза и потребляемого им тока в зависимости от пройденного расстояния; определяют времена хода поезда по перегонам; проверяют нагрев тяговых двигателей;

в случае превышения допустимой температуры нагрева тяговых двигателей расчетную массу состава снижают, и весь расчет повторяют; в некоторых случаях расчет выполняют на двойную тягу или подталкивание на наиболее тяжелом подъеме;

на основании выполненных расчетов определяют расход элек­троэнергии и устанавливают режим работы устройств электроснаб­жения (тяговых подстанций и контактной сети).

Подъем, по которому рассчитывают массу состава, назы­вают расчетным для данного тягового участка.

Затяжным называют такой подъем, на котором уста­навливается равномерная скорость движения поезда.

Расчет массы состава из условия движения по расчетному затяжному подъему с равномерной скоростью. При равномерном движении поезда сила тяги электровоза Fк идет только на преодо­ление сил сопротивления движению поезда W, т. е. Fк=W.

При следовании грузового поезда по расчетному подъему для преодоления основного и дополнительного сопротивлений движе­нию электровоз должен развивать наибольшую силу тяги, допу­стимую по условиям сцепления при работе его на одной из авто­матических характеристик.

Чтобы определить сопротивление движению поезда, необходимо также знать ту равномерную скорость, с которой он следует по подъему. Эту скорость называют расчетной. Естественно, что она соответствует расчетной силе тяги электровоза.

Значения расчетной силы тяги Fкp и скорости Vp движения электровоза по расчетному подъему принимают из тяговой характе­ристики для точки пересечения одной из основных автоматических характеристик с кривой ограничения силы тяги по условиям сцепления.

Проверка массы поезда по нагреванию тяговых двигателей.

В ходе полного тягового расчета определяют ток, потребляемый; электровозом, и время движения поезда для всех участков пути.

10. Электрическое торможение электровоза

Общие сведения. Электрическое торможение локомотивов имеет большое значение, обеспечивая экономию электроэнергии и тор­мозных колодок, повышение скорости движения на спусках при одновременном повышении безопасности движения поездов.

Применение рекуперативного торможения на некоторых горных участках позволяет на 10—15% снизить расход электроэнергии на тягу поездов. Безопасность движения при использовании элек­трического торможения возрастает благодаря повышению гибко­сти управления движением поезда на спусках, так как появляется возможность длительно не применять автоматические тормоза состава или увеличивать время их зарядки после торможения.

При создании электровозов с электрическим торможением используют свойство обратимости электрических машин. Если якорь двигателя вращается в поле остаточного магнетизма сер­дечников полюсов, наводимая в проводниках обмотки якоря ЭДС создает разность потенциалов между плюсовыми и минусовыми щеткодержателями. Однако ток по обмоткам не идет, так как обычно при указанных условиях внешняя цепь двигателей разомк­нута линейными контакторами.

Для получения необходимого тормозного эффекта следует от­ключить все тяговые двигатели от сети, произвести ряд переклю­чений в электрической цепи и затем подключить двигатели к потре­бителю электроэнергии. Если в качестве такого потребителя будут использованы резисторы, установленные на данном электровозе, то будет осуществлено реостатное торможение; если же тяговые двигатели после перевода в генераторный режим подключить вновь к контактной сети и потребителями энергии будут другие электровозы или электропоезда, то будет получено рекуператив­ное торможение (рис 7).

Электровозы оборудованы устройствами для получения электрического тормо­жения;

реостатное торможение осуществляется на электрово­зах ВЛ80Т, ВЛ80С (рис.8).

рекуперативное — на электровозах ВЛ10, ВЛ10У, ВЛ11, ВЛ80Р.

Применено также реостатное торможение на пассажирских электровозах ЧС2Т, ЧС6, ЧС200, ЧС4Т, что значительно повышает безопасность движения, поскольку колодочное торможение при скоростях свыше 140 км/ч недостаточно эффективно.

Рекуперативное торможение на электро­возах постоянного тока.

Обмотки возбуждения тяговых двигателей также подключают к независимому источнику тока (рис. 9), а об­мотку якоря при определенных условиях подсоединяют непосред­ственно к контактной сети. В начальный момент сбора электри­ческих цепей этими условиями будет равенство напряжения сети и наведенной в обмотке якоря ЭДС т. е. Uс = E. Это исключит вероятность появления тока, как тягового режима, так и тормозного, что позволяет отключить (закоротить) пуско­вые резисторы.

С увеличением тока возбуждения растет ЭДС и появляется ток рекуперации.

Рис. 7. Схемы, поясняющие образование тормозного момента на валу при переходе с тягового на генераторный режим работы тягового двигателя

Рис. 8. Принципиальная схема соединений обмоток тяговых двигателей при реостатном торможении электровозов ВЛ80Т и ВЛ80.

I—VIII—якоря тяговых двигателей, ГПI—ГПVIII — обмотки главных полюсом, Rт — тормозные резисторы, Тр — тяговый трансформатор, ВУВ1, ВУВ2 —выпрямительные установки возбуждения

Рис. 9. Простейшая схема реку­перации при питании обмоток полю­сов тягового двигателя от незави­симого источника тока

Практически на электровозах постоянного тока соединяют не­сколько якорей ТЭД последовательно. Изменяя число двигателей, включаемых последовательно, и ток возбуждения, машинист регулирует ток рекуперации, а, следовательно, и силу торможения электровоза.

Рекуперация на электровозах переменного тока.

На электровозах установлены двигатели постоянного тока, и основ­ные условия их перевода в режим генератора не отличаются от условий, необходимых на электровозах постоянного тока, т. е. напряжение двигателей должно быть повышено путем усиления : возбуждения (по сравнению с возбуждением на той же скорости - в тяговом режиме).

Однако положение осложнено, во-первых, наличием трансфор­маторной связи между обмотками якорей двигателей и контакт­ной сетью, т. е. необходимо преобразовать постоянный ток двига­телей в переменный, а во-вторых, получаемый при инвертировании переменный ток по фазе должен соответствовать фазе тока в контактной сети.

Контрток — частный случай электрического торможения.

Под контртоком понимают такой режим, когда схема включения дви­гателей должна обеспечивать движение электровоза назад (ревер­сивная рукоятка и валы реверсоров установлены в положение Назад), но локомотив движется вперед.

Направление тока в обмотке якоря в режиме контртока изме­няется и совпадает с возникающей в проводниках ЭДС.

Поскольку направление тока в обмотке якоря изменилось, а магнитного потока осталось неизменным, провод­ники в соответствии с правилом левой руки электродинамическими силами будут выталкиваться в направлении, противоположном вращению якоря, т. е. наступит торможение.

Торможение контртоком могло бы быть очень эффективным, од­нако между плюсовыми и минусовыми щеткодержателями двигателя, особенно при высокой скорости движения электровоза и малом сопротивлении пусковых резисторов значительно повышается напряжение на коллекторах двигателей, что приводит к круговому огню, коротким замыканиям двигателей и перебросам дуги на корпус, причем защитная аппаратура может оказаться при этом вне возникшего контура электрической цепи.

Если даже быстродействующий выключатель отключает тяговые двигатели от сети при этих явлениях, то размыкание цепи обычно происходит после повреждения (оплавления) коллекторов и изо­ляторов кронштейнов щеткодержателей.

В эксплуатации наблюдались случаи, когда при высокой ско­рости движения машинисты включали контроллеры, забывая, что реверсивная рукоятка установлена в положение «Назад». Чаще всего это происходило на втором электровозе при двойной тяге. Как правило, в таких случаях возникали серьезные повреждения тяго­вых двигателей и колесных пар. В случаях плохого сцепления колес с рельсами якоря двигателей могут начать вращаться в обратную сторону или вообще остановиться (юз). В этих случаях к электрическим повреждениям могут добавиться механические — выбоины на бандажах колес, излом зубьев передачи.

Подобные режимы возникают на электровозах ВЛ8, если ревер­сивная рукоятка контроллера машиниста оставлена в положении «Вперед СП», а электровоз (при опущенном токоприемнике) пере­двигается другим локомотивом.

На электровозах переменного тока тяговые двигатели также переходят в режим электрического торможения, причем независимо от значения возникающей ЭДС ток будет очень большим; практи­чески это ток короткого замыкания, поскольку сопротивление кон­тура, по которому пойдет ток, очень невелико.

По приведенным выше причинам применять контрток на элек­тровозах запрещается.