Тепловоз - Diesel locomotive

ČKD ČME3 - один из самых долгоживущих и производимых дизель-электрических локомотивов из когда-либо созданных.
Эти локомотивы, эксплуатируемые компанией Pacific National, демонстрируют три стиля корпуса тепловоза: бокс-кабина (задняя часть), блок капота (в центре) и блок кабины (передний).

Тепловоз является тип железнодорожного локомотива , в котором основной движущей силой является дизельный двигатель . Было разработано несколько типов тепловозов, различающихся в основном способами передачи механической энергии на ведущие колеса .

Первые локомотивы внутреннего сгорания и железнодорожные вагоны использовали керосин и бензин в качестве топлива. Рудольф Дизель запатентовал свой первый двигатель с воспламенением от сжатия в 1898 году, и постоянные улучшения в конструкции дизельных двигателей уменьшили их физические размеры и улучшили их отношение мощности к весу до такой степени, что их можно было установить в локомотив. Двигатели внутреннего сгорания эффективно работают только в ограниченном диапазоне мощности , и хотя бензиновые двигатели малой мощности можно было соединить с механическими трансмиссиями , более мощные дизельные двигатели потребовали разработки новых форм трансмиссии. Это связано с тем, что при таких уровнях мощности муфты должны быть очень большими и не помещаться в стандартную раму локомотива шириной 2,5 м (8 футов 2 дюйма) или изнашиваться слишком быстро, чтобы быть полезными.

Первые успешные дизельные двигатели использовали дизель-электрические трансмиссии , и к 1925 году небольшое количество тепловозов мощностью 600 л.с. (450 кВт) находилось на вооружении в Соединенных Штатах. В 1930 году Армстронг Уитворт из Соединенного Королевства поставил два локомотива мощностью 1200 л.с. (890 кВт) с двигателями конструкции Sulzer для Великой южной железной дороги Буэнос-Айреса в Аргентине. В 1933 году дизель-электрическая технология, разработанная Maybach, была использована для движения DRG Class SVT 877 , высокоскоростного междугороднего двухвагонного агрегата, и с 1935 года пошла в серийное производство с другими модернизированными автокомплексами в Германии. В Соединенных Штатах. В конце 1934 года дизель-электрическая силовая установка была переведена на высокоскоростные магистральные пассажирские перевозки, в основном благодаря исследованиям и разработкам General Motors, начавшимся в конце 1920-х годов, и разработкам компании Budd Company в области дизайна легких автомобилей .

Восстановление экономики после Второй мировой войны привело к широкому распространению тепловозов во многих странах. Они обладали большей гибкостью и производительностью, чем паровозы , а также значительно меньшими затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание. Дизель-гидравлические трансмиссии были введены в 1950-х годах, но с 1970-х годов доминировали дизель-электрические трансмиссии.

История

Адаптация для рельсового транспорта

Схема масляного двигателя Пристмана из книги Джона Перри " Паровой двигатель и газовые и масляные двигатели" (1900 г.)
Бензиновый электрический рельсовый мотор Weitzer , первый 1903 г., серия 1906 г.

Самым ранним зарегистрированным примером использования двигателя внутреннего сгорания в железнодорожном локомотиве является прототип, разработанный Уильямом Дентом Пристманом , который был исследован Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином в 1888 году, который описал его как «[нефтяной двигатель Пристмана], установленный на грузовик, который работает на временной линии рельсов, чтобы показать приспособление бензинового двигателя для локомотивных целей ". В 1894 году двухосная машина мощностью 20 л.с. (15 кВт), построенная братьями Пристман, использовалась в доках Халла . В 1896 году для Королевского арсенала в Вулидже , Англия, был построен железнодорожный локомотив с масляным двигателем , в котором использовался двигатель, разработанный Гербертом Акройдом Стюартом . Это не был дизель, потому что он использовал двигатель с горячей лампой (также известный как полудизель), но он был предшественником дизеля.

Рудольф Дизель рассматривал возможность использования своего двигателя для привода локомотивов в своей книге 1893 года Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren . Однако массивность и плохая удельная мощность ранних дизельных двигателей делали их непригодными для использования в наземных транспортных средствах. Таким образом, потенциал двигателя в качестве тягача для железных дорог изначально не был признан. Это изменилось, поскольку разработка уменьшила размер и вес двигателя.

В 1906 году Рудольф Дизель, Адольф Клозе и производитель паровых и дизельных двигателей Гебрюдер Зульцер основали компанию Diesel-Sulzer-Klose GmbH для производства дизельных локомотивов. Компания Sulzer производит дизельные двигатели с 1898 года. Прусские государственные железные дороги заказали у компании тепловоз в 1909 году, и после пробных прогонов между Винтертуром и Романсхорном , Швейцария, дизель-механический локомотив был доставлен в Берлин в сентябре 1912 года. Тепловоз эксплуатировался летом 1912 года на той же ветке из Винтертура, но не имел коммерческого успеха. Во время пробных запусков в 1913 году было обнаружено несколько проблем. Начало Первой мировой войны в 1914 году предотвратило дальнейшие испытания. Вес локомотива составлял 95 тонн, мощность - 883 кВт, максимальная скорость - 100 км / ч (62 мили в час).

До середины 1920-х годов в ряде стран было произведено небольшое количество опытных тепловозов.

Первые тепловозы и железнодорожные вагоны в США

Ранние разработки в Северной Америке

Адольфус Буш приобрел американские права на производство дизельного двигателя в 1898 году, но никогда не применял эту новую форму мощности на транспорте. Он основал компанию Busch-Sulzer в 1911 году. В начале двадцатого века с железнодорожными вагонами с двигателями внутреннего сгорания удалось достичь лишь ограниченного успеха, отчасти из-за трудностей с системами механического привода.

General Electric (GE) вышла на рынок железнодорожных вагонов в начале двадцатого века, так как Томас Эдисон обладал патентом на электровоз, а его конструкция фактически представляла собой тип железнодорожного вагона с электрическим приводом. GE построила свой первый прототип электровоза в 1895 году. Однако высокие затраты на электрификацию заставили GE обратить внимание на энергию внутреннего сгорания, чтобы обеспечить электричеством электрические железнодорожные вагоны. Сразу же возникли проблемы, связанные с координацией первичного двигателя и электродвигателя , в первую очередь из-за ограничений выбранной системы управления током Уорда Леонарда . GE Rail была образована в 1907 году, а спустя 112 лет, в 2019 году, была приобретена и слита с Wabtec .

Значительный прорыв произошел в 1914 году, когда Герман Лемп , инженер-электрик GE, разработал и запатентовал надежную систему управления, которая управляла двигателем и тяговым двигателем с помощью одного рычага; последующие усовершенствования также были запатентованы Lemp. Конструкция Лемпа решала проблему перегрузки и повреждения тяговых двигателей избыточной электрической мощностью на низких скоростях и была прототипом для всех систем управления внутренним сгоранием и электроприводом.

В 1917–1918 годах компания GE произвела три экспериментальных дизель-электрических локомотива с использованием конструкции управления Лемпа, первый из которых, как известно, был построен в Соединенных Штатах. После этого в 1923 году Закон Кауфмана запретил движение паровозов в Нью-Йорке из-за серьезных проблем с загрязнением окружающей среды. В ответ на этот закон была введена электрификация железнодорожных линий с интенсивным движением. Однако электрификация была неэкономичной для районов с низким трафиком.

Первое регулярное использование дизель-электрических локомотивов было в коммутационных (маневровых) приложениях, которые были более снисходительными, чем основные применения ограничений современной дизельной технологии, и где экономия дизельного топлива на холостом ходу по сравнению с паром была бы наиболее выгодной. GE начала сотрудничество с Американской локомотивной компанией (ALCO) и Ingersoll-Rand (консорциум «AGEIR») в 1924 году для производства прототипа локомотива «коробчатый» мощностью 300 л.с. (220 кВт), поставленного в июле 1925 года. Этот локомотив продемонстрировал, что дизель –Электроэнергетическая установка могла бы обеспечить многие из преимуществ электровоза без значительных затрат на электрификацию железной дороги. Агрегат успешно продемонстрировал работу в коммутационных и местных грузовых и пассажирских перевозках на десяти железных дорогах и трех промышленных линиях. Westinghouse Electric и Baldwin начали сотрудничать в создании переключающихся локомотивов, начиная с 1929 года. Однако Великая депрессия сократила спрос на электрооборудование Westinghouse, и они прекратили производство локомотивов внутри компании, отдав предпочтение электрическим деталям.

В июне 1925 года компания Baldwin Locomotive Works заменила прототип дизель-электрического локомотива для «специальных целей» (например, для поездок, где вода для паровозов была недостаточной) с использованием электрического оборудования от Westinghouse Electric Company . Его двухмоторная конструкция не увенчалась успехом, и после непродолжительных испытаний и демонстраций установка была списана. Источники в отрасли начали предлагать «выдающиеся преимущества этой новой формы движущей силы». В 1929 году Канадские национальные железные дороги стали первой североамериканской железной дорогой, которая использовала дизельные двигатели в магистральных линиях с двумя единицами, 9000 и 9001, от Westinghouse. Однако эти первые дизельные двигатели оказались дорогими и ненадежными, поскольку их высокая стоимость приобретения по сравнению с паром не могла быть реализована с точки зрения экономии эксплуатационных расходов, поскольку они часто выходили из строя. Пройдет еще пять лет, прежде чем дизель-электрическая силовая установка будет успешно использоваться в магистральных сетях, и почти десять лет, прежде чем полная замена пара станет реальной перспективой с существующей дизельной технологией.

Прежде чем дизельная энергия могла проникнуть в магистраль, необходимо было преодолеть ограничения дизельных двигателей примерно 1930-х годов - низкое отношение мощности к массе и узкий диапазон мощности. Основные усилия по преодолению этих ограничений были предприняты General Motors после того, как они перешли в дизельную отрасль с приобретением в 1930 году компании Winton Engine Company , крупного производителя дизельных двигателей для судовых и стационарных установок. При поддержке Исследовательского подразделения General Motors. , Winton Engine Corporation GM стремилась разработать дизельные двигатели, подходящие для высокоскоростного мобильного использования. Первая веха в этой работе была поставка в начале 1934 в Винтон 201А, с двухтактным , механически придыханием , прямоточной продувкой , блоком впрыском дизельного двигателя , который мог бы обеспечить необходимую производительность для быстрого, легкого пассажирского поезда. Второй вехой, которая подтолкнула американские железные дороги к переходу на дизельное топливо, стала поставка в 1938 году двигателя GM Model 567, который был разработан специально для локомотивов, что обеспечило пятикратное увеличение срока службы некоторых механических частей и продемонстрировало свой потенциал для соответствия суровым требованиям. грузовых перевозок.

Дизель-электрические железнодорожные локомотивы поступили на магистральные перевозки, когда компании Burlington Railroad и Union Pacific начали использовать изготовленные на заказ дизельные « лайнеры » для перевозки пассажиров, начиная с конца 1934 года. Поезда Zephyr Берлингтона эволюционировали из сочлененных трехвагонных вагонов мощностью 600 л.с. в 1934 году и В начале 1935 года в Denver Zephyr были сочленены десять составов вагонов, которые тянулись с помощью силовых агрегатов с кабиной-форсунками, представленных в конце 1936 года. В июне 1935 года Union Pacific начала курсировать на дизельном топливе между Чикаго и Портлендом, штат Орегон, а в следующем году добавила Лос-Анджелес и Окленд, Калифорния, и Денвер, Колорадо, до пунктов назначения дизельных лайнеров из Чикаго. Обтекаемые модели Burlington и Union Pacific были построены компаниями Budd и Pullman-Standard , соответственно, с использованием новых двигателей Winton и систем силовой передачи, разработанных GM Electro-Motive Corporation . Экспериментальный ЕМС 1800 л.с. BB локомотивы 1935 продемонстрировали системы управления многоэлементными , используемые для кабины / комплектов ракеты - носителя и формата двухмоторного , используемого с более поздними Zephyr энергоблоками. Обе эти функции будут использоваться в более поздних серийных моделях локомотивов EMC. Легкие дизельные обтекаемые модели середины 1930-х годов продемонстрировали преимущества дизельного топлива для пассажирских перевозок с прорывным графиком, но мощность тепловозов не будет полностью развита до тех пор, пока не начнется регулярное серийное производство магистральных тепловозов, и они не будут показаны пригодными для полноразмерных пассажирские и грузовые перевозки.

Первые серийные американские тепловозы

После их 1925 прототипа, AGEIR консорциум произвел более 25 единиц 300 л.с. (220 кВт) «60 тонн» AGEIR boxcab переключения локомотивов между 1925 и 1928 для нескольких железных дорог Нью - Йорка, что делают их первые серию производства тепловозов. Консорциум также произвел семь двухмоторных «100-тонных» фургонов и одну гибридную тележку / аккумуляторную батарею с цепью зарядки с дизельным приводом. В 1929 году ALCO приобрела McIntosh & Seymour Engine Company и в 1931 году приступила к серийному производству переключателей с одной кабиной мощностью 300 л.с. (220 кВт) и 600 л.с. (450 кВт). -1930-е годы и адаптируют базовую конструкцию коммутатора для производства универсальных и очень успешных, хотя и относительно маломощных дорожных локомотивов.

GM, видя успех заказных обтекаемых моделей, стремилась расширить рынок дизельной энергии, производя стандартизированные локомотивы в рамках своей Electro-Motive Corporation . В 1936 году новый завод EMC начал производство стрелочных двигателей. В 1937 году завод начал производство своих новых обтекаемых пассажирских локомотивов серии E , которые в 1938 году будут модернизированы более надежными двигателями специальной конструкции. Увидев производительность и надежность нового двигателя модели 567 в пассажирских локомотивах, EMC стремилась продемонстрировать дизельные двигатели. жизнеспособность в грузовых перевозках.

После успешной поездки в 1939 г. демонстрационного грузового локомотива EMC FT были созданы условия для дизелизации американских железных дорог. В 1941 году компания ALCO-GE представила стрелочный переводчик RS-1, который занял свою рыночную нишу, в то время как локомотивы EMD серии F были востребованы для магистральных грузовых перевозок. Вступление США во Вторую мировую войну замедлило переход на дизельное топливо; Совет по военному производству приостановил производство новой пассажирской техники и уделил приоритетное внимание производству дизельных двигателей на флоте. Во время нефтяного кризиса 1942–1943 годов угольный пар имел то преимущество, что не использовал топливо, которого было крайне мало. Позже EMD было разрешено увеличить производство своих локомотивов FT, а ALCO-GE было разрешено производить ограниченное количество дорожных локомотивов DL-109 , но большая часть локомотивного бизнеса была ограничена производством стрелочных двигателей и паровозов.

В начале послевоенной эпохи EMD доминировала на рынке магистральных локомотивов со своими локомотивами серий E и F. ALCO-GE в конце 1940-х годов произвела переключатели и переключатели дорог, которые были успешны на рынке ближнемагистральных перевозок. Однако в 1949 году EMD запустила в производство свои локомотивы с переключателем дорог серии GP , которые вытеснили все другие локомотивы на рынке грузовых перевозок, включая их собственные локомотивы серии F. Впоследствии GE расторгла свое партнерство с ALCO и в начале 1960-х годов стала основным конкурентом EMD, в конечном итоге заняв лидирующую позицию на рынке локомотивов у EMD.

Первые дизель-электрические локомотивы в Соединенных Штатах использовали тяговые двигатели постоянного тока (DC), но двигатели переменного тока (AC) получили широкое распространение в 1990-х годах, начиная с Electro-Motive SD70MAC в 1993 году, а затем с General Electric AC4400CW в 1994 и AC6000CW в 1995 году.

Первые тепловозы и вагоны в Европе

Первые исправные дизельные автомобили

Совместное производство Швейцарии и Германии: первый в мире функциональный дизель-электрический вагон 1914 г.

В 1914 году для Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen ( Королевские саксонские государственные железные дороги ) компания Waggonfabrik Rastatt выпустила первые в мире функциональные дизель-электрические железнодорожные вагоны с электрическим оборудованием от Brown, Boveri & Cie и дизельными двигателями от Swiss Sulzer AG . Они были классифицированы как DET 1 и DET 2 ( de.wiki ). Из-за нехватки бензина во время Первой мировой войны они не использовались для регулярной службы в Германии. В 1922 году они были проданы швейцарской компании Compagnie du Chemin de fer Régional du Val-de-Travers (фр. Wiki ), где они использовались в регулярной эксплуатации вплоть до электрификации линии в 1944 году. После этого компания оставила их в служил в качестве ускорителей до 1965 года.

Fiat заявляет, что это первый итальянский дизель-электрический локомотив, построенный в 1922 году, но подробностей пока мало. Несколько тепловозов Fiat- TIBB Bo'Bo были построены для обслуживания на 950 мм ( 3 фута  1++3 / 8  в) узкоколейная Ferrovie Калабро Лучане иSocietà на ле Strade Феррат дель Mediterranoна юге Италии в 1926 году, после испытаний в 1924-25 гг. Шестицилиндровый двухтактный двигатель производил 440 лошадиных сил (330 кВт) при 500 об / мин, приводя в движение четыре двигателя постоянного тока, по одному на каждую ось. Эти 44-тонные (43 длинных тонны; 49 коротких тонн) локомотивы с максимальной скоростью 45 километров в час (28 миль в час) оказались весьма успешными.

В 1924 году два тепловоза были приняты на вооружение железной дороги СССР почти одновременно:

Первый в мире полезный тепловоз для дальних перевозок SŽD Eel2
  • Двигатель Э эл 2 ( исходный номер E el 2 Юэ 001 / Yu-e 001) был запущен 22 октября. Он был разработан группой под руководством Юрия Ломоносова и построен в 1923–1924 годах на Maschinenfabrik Esslingen в Германии. У него было 5 ведущих мостов (1'E1 '). После нескольких пробных поездок он возил поезда в течение почти трех десятилетий с 1925 по 1954 год. Несмотря на то, что он оказался первым в мире функциональным тепловозом, он не стал серийным, но стал образцом для нескольких классов советских тепловозов.
  • Двигатель Щэл1 ( Щ- Эл 1 , исходный номер Юэ2 / Ю-э 2) был запущен 9 ноября. Он был разработан Яковом Модестовичем Гаккелем ( ru.wiki ) и построен на Балтийском судостроительном заводе в Санкт-Петербурге . У него было десять ведущих мостов в трех тележках (1 Co 'Do' Co '1'). С 1925 по 1927 год он курсировал поездами между Москвой и Курском и в Кавказском регионе. Впоследствии из-за технических проблем он был выведен из эксплуатации. С 1934 года использовался как стационарный электрогенератор.

В 1935 году Krauss-Maffei , MAN и Voith построили в Германии первый дизель-гидравлический локомотив V 140 . Немецкие железные дороги (DRG) были очень довольны производительностью этого двигателя, поэтому дизель-гидравлика стала основным направлением производства тепловозов в Германии. Серийное производство тепловозов в Германии началось после Второй мировой войны.

Свитчеры

Маневровый корабль Nederlandse Spoorwegen с 1934 года, в современной ливрее

На многих железнодорожных станциях и промышленных предприятиях паровые маневры приходилось поддерживать в горячем состоянии во время многих перерывов между разрозненными короткими задачами. Таким образом, дизельная тяга стала экономичной для маневровых работ раньше, чем стала экономичной для буксировки поездов. Строительство маневровых дизельных двигателей началось в 1920 году во Франции, в 1925 году в Дании, в 1926 году в Нидерландах и в 1927 году в Германии. После нескольких лет испытаний в течение десятилетия были произведены сотни единиц.

Дизельные вагоны для региональных перевозок

Renault VH, Франция , 1933/34 г.

Дизельные или «масляные» железнодорожные вагоны, обычно дизельно-механические, были разработаны различными европейскими производителями в 1930-х годах, например Уильямом Бирдмором и компанией для Канадских национальных железных дорог (двигатель Beardmore Tornado впоследствии использовался в дирижабле R101 ) . Некоторые из этих серий для региональных перевозок были начаты с бензиновых двигателей, а затем продолжены дизельными двигателями, такими как венгерский BC mot (код класса ничего не говорит, кроме «рельсового двигателя с сиденьями 2-го и 3-го класса».), 128 автомобилей, построенных в 1926 году. –1937 г., или немецкие рельсовые автобусы Wismar (57 вагонов 1932–1941 гг.). Во Франции первым дизельным вагоном стал Renault VH , 115 штук выпущено в 1933/34 году. В Италии после 6 бензиновых автомобилей с 1931 года Fiat и Breda построили много дизельных рельсовых двигателей, более 110 с 1933 по 1938 год и 390 с 1940 по 1953 год, класса 772, известного как Littorina , и класса ALn 900.

Скоростные вагоны

В 1930-х годах в нескольких странах были разработаны модернизированные высокоскоростные дизельные железнодорожные вагоны:

  • В Германии Flying Hamburger был построен в 1932 году. После тестовой поездки в декабре 1932 года этот двух туристический дизельный вагон (в английской терминологии DMU2) начал службу на Deutsche Reichsbahn (DRG) в феврале 1933 года. Он стал прототипом класса DRG. SVT 137 с еще 33 высокоскоростными DMU, ​​построенными для DRG до 1938 года, 13 DMU 2 (серия "Гамбург"), 18 DMU 3 (серии "Leipzig" и "Köln") и 2 DMU 4 (серия "Berlin").
  • Французские SNCF классов XF 1000 и XF 1100 включали 11 высокоскоростных DMU, ​​также называемых TAR, построенных в 1934–1939 годах.
  • В Венгрии компания Ganz Works построила рельсовый мотор Arpád  [ hu ; de ] , своего рода роскошный рельсовый автобус в серии из 7 единиц с 1934 года, и начали строить Hargita  [ hu ] в 1944 году.

Дальнейшее развитие

В 1945 году партия из 30 тепловозов Болдуин, Болдуин 0-6-6-0 1000 , была доставлена ​​из США на железные дороги Советского Союза.

В 1947 году Лондонская Мидленд и Шотландская железная дорога представила первый из пары дизель-электрических локомотивов Co-Co мощностью 1600 л.с. (позже - British Rail Class D16 / 1 ) для регулярного использования в Соединенном Королевстве, хотя британские производители такие Поскольку Армстронг Уитворт экспортировал тепловозы с 1930 года. В 1957 году начались поставки для British Railways других конструкций, таких как Class 20 и Class 31.

Серийное производство тепловозов в Италии началось в середине 1950-х годов. Как правило, дизельная тяга в Италии имела меньшее значение, чем в других странах, поскольку она была одной из самых передовых стран в электрификации основных линий, и, в результате итальянской географии, даже на многих внутренних сообщениях грузовые перевозки по морю дешевле. чем железнодорожный транспорт.

Первые тепловозы и вагоны в Азии

Япония

В Японии, начиная с 20-х годов прошлого века, производилось несколько бензоэлектрических вагонов. Первыми дизель-электрическими тягачами и первыми воздушными транспортными средствами на японских рельсах были два DMU3 класса Kiha 43000 (キ ハ 43000 系). Первой серией тепловозов в Японии были паровозы класса DD50 (国 鉄 DD50 形), разработанные с 1950 года и находящиеся на вооружении с 1953 года.

Китай

Одним из первых дизельных автомобилей отечественной разработки в Китае был DMU Dongfeng (东风), выпущенный в 1958 году компанией CSR Sifang . Серийное производство первого в Китае тепловоза DFH 1 началось в 1964 году после постройки прототипа в 1959 году.

Индия

Первые тепловозы и вагоны в Австралии

Вагон Mckeen в Водонге, Австралия, 1911 год.

Транс-австралийская железная дорога построена в 1912 к 1917 году Содружество железных дорог (CR) проходит через 2000 км безводного (или соленую поливают) пустынную местность непригодной для паровозов. Первоначальный инженер Генри Дин предусматривал использование дизельного двигателя для решения таких проблем. Некоторые предположили, что CR работала с Южно-Австралийскими железными дорогами над испытанием дизельной тяги. Однако технология была недостаточно развита, чтобы быть надежной.

Как и в Европе, использование двигателей внутреннего сгорания в самоходных вагонах шире, чем в локомотивах.

  • Некоторые австралийские железнодорожные компании купили вагоны McKeen .
  • В 1920-х и 1930-х годах более надежные бензиновые рельсовые двигатели были построены австралийской промышленностью.
  • Первыми дизельными вагонами в Австралии были автомобили Silver City Comet класса NSWGR 100 (позже PH, позднее DP) в 1937 году.
  • Высокоскоростными транспортными средствами для возможностей того времени на 3 футах 6 дюймов ( 1067 мм ) были 10 вагонов Vulcan 1940 года для Новой Зеландии.

Типы трансмиссии

В отличие от паровых двигателей, двигатели внутреннего сгорания требуют трансмиссии для привода колес. Двигатель должен продолжать работать, когда локомотив остановлен.

Дизель-механический

Схематическое изображение тепловоза механического локомотива

В дизель-механическом локомотиве используется механическая трансмиссия, аналогичная той, что используется в большинстве дорожных транспортных средств. Этот тип трансмиссии обычно ограничивается маломощными низкоскоростными маневровыми (переключающими) локомотивами, легковесными многоблочными единицами и самоходными железнодорожными вагонами .

British Rail Class 03 дизель-механический маневровый с промежуточного вала под кабиной.

Механические трансмиссии, используемые для движения по железной дороге, обычно более сложны и надежны, чем стандартные дорожные версии. Обычно между двигателем и коробкой передач находится гидравлическая муфта , а коробка передач часто бывает планетарной (планетарной) типа, что позволяет переключаться под нагрузкой. Были разработаны различные системы, чтобы минимизировать перерывы в трансмиссии при переключении передач; например, коробка передач SSS (синхронно-самопереключающаяся), используемая Hudswell Clarke .

Дизель-механическая силовая установка ограничена трудностью создания трансмиссии разумных размеров, способной справиться с мощностью и крутящим моментом, необходимыми для движения тяжелого поезда. Было предпринято несколько попыток использовать дизельно-механическую двигательную установку в приложениях большой мощности (например, локомотив British Rail 10100 мощностью 1500 кВт (2000 л.с.) ), но ни одна из них не оказалась успешной.

Дизель-электрический

Принципиальная схема тепловоза-электровоза.

В дизель-электрическом локомотиве дизельный двигатель приводит в действие либо электрический генератор постоянного тока (как правило, менее 3000 лошадиных сил (2200 кВт) для тяги), либо электрический генератор-выпрямитель переменного тока (обычно 3000 лошадиных сил (2200 кВт) или более для тяги), выход которого обеспечивает питание тяговых двигателей , приводящих в движение локомотив. Между дизельным двигателем и колесами нет механической связи.

Важными компонентами дизель-электрической силовой установки являются дизельный двигатель (также известный как первичный двигатель ), главный генератор / генератор-выпрямитель, тяговые двигатели (обычно с четырьмя или шестью осями) и система управления, состоящая из регулятора двигателя и электрические или электронные компоненты, включая распределительное устройство , выпрямители и другие компоненты, которые управляют или изменяют электропитание тяговых двигателей. В простейшем случае генератор может быть напрямую подключен к двигателям с помощью очень простого распределительного устройства.

В EMD F40PH (слева) и MPI MPXpress -рядов MP36PH-3S (справа) локомотивов в сочетании друг с другом Метра использования дизель-электрической трансмиссии .
Советский тепловоз 2ТЭ10М
Чешский локомотив 742 и 743 класса

Первоначально тяговые двигатели и генератор были машинами постоянного тока . После разработки кремниевых выпрямителей большой емкости в 1960-х годах генератор постоянного тока был заменен генератором переменного тока с диодным мостом для преобразования его выхода в постоянный ток. Этот прогресс значительно повысил надежность локомотива и снизил затраты на техническое обслуживание генератора за счет отказа от коммутатора и щеток в генераторе. Устранение щеток и коммутатора, в свою очередь, устранило возможность особенно разрушительного типа события, называемого перекрытием , которое могло привести к немедленному отказу генератора и, в некоторых случаях, вызвать пожар в машинном отделении.

Текущая североамериканская практика предусматривает использование четырех осей для высокоскоростных пассажирских или «временных» грузов или шести осей для низкоскоростных или «грузовых» грузов. Самые современные подразделения грузовых перевозок «на время» обычно имеют шесть осей под рамой. В отличие от тех, что представлены в сервисе «манифест», у «временных» грузовых единиц только четыре оси будут подключены к тяговым двигателям, а две другие будут использоваться в качестве промежуточных осей для распределения веса.

В конце 1980-х годов разработка мощных приводов с регулируемым напряжением / переменной частотой (VVVF) или «тяговых инверторов» позволила использовать многофазные тяговые двигатели переменного тока, тем самым также устранив коллектор двигателя и щетки. В результате получается более эффективный и надежный привод, который требует относительно небольшого обслуживания и лучше справляется с условиями перегрузки, которые часто разрушали старые типы двигателей.

Инженерные органы управления в кабине тепловоза. Рычаг внизу в центре - это дроссельная заслонка, а рычаг, видимый внизу слева, - это управление автоматическим тормозным клапаном.

Дизель-электрическое управление

Модель MLW S-3, произведенная в 1957 году для CPR, придерживалась разработок ALCO .

Выходная мощность дизель-электровоза не зависит от скорости движения до тех пор, пока не превышаются пределы тока и напряжения генератора агрегата. Следовательно, способность агрегата развивать тяговое усилие (также называемое тяговым усилием дышла или тяговым усилием , которое фактически приводит поезд в движение) будет иметь тенденцию обратно пропорционально изменяться со скоростью в этих пределах. (См. Кривую мощности ниже). Поддержание приемлемых рабочих параметров было одним из основных конструктивных соображений, которые необходимо было решить на ранних этапах разработки дизель-электрических локомотивов, и, в конечном итоге, привело к созданию сложных систем управления на современных агрегатах.

Дроссельная заслонка

Кабина российского тепловоза 2ТЭ116 У. «11» обозначает дроссельную заслонку.

Выходная мощность первичного двигателя в первую очередь определяется его скоростью вращения ( об / мин ) и расходом топлива, которые регулируются регулятором или аналогичным механизмом. Регулятор разработан так, чтобы реагировать как на настройку дроссельной заслонки, определяемую водителем двигателя, так и на скорость, с которой работает первичный двигатель (см. Теория управления ).

Выходная мощность локомотива и, следовательно, скорость обычно регулируются машинистом двигателя с помощью ступенчатого или «зубчатого» дросселя, который производит двоичные электрические сигналы, соответствующие положению дроссельной заслонки. Эта базовая конструкция хорошо поддается составной единичной операции (MU), производя дискретные условия , которые гарантируют , что все узлы в состоят реагировать таким же образом , к положению дроссельной заслонки. Двоичное кодирование также помогает минимизировать количество железнодорожных линий (электрических соединений), необходимых для передачи сигналов от устройства к устройству. Например, для кодирования всех возможных положений дроссельной заслонки требуется всего четыре линии, если имеется до 14 стадий дросселирования.

Североамериканские локомотивы, такие как те, что построены EMD или General Electric , имеют восемь положений дроссельной заслонки или «выемок», а также «реверсор», позволяющий им работать в двух направлениях. Многие локомотивы британского производства имеют десятипозиционный дроссель. Позиции мощности часто упоминаются локомотивными бригадами в зависимости от настройки дроссельной заслонки, например, «пробег 3» или «отметка 3».

В старых локомотивах механизм дроссельной заслонки имел храповой механизм, так что за один раз было невозможно продвинуть более одного положения мощности. Например, машинист двигателя не мог тянуть дроссель с выемки 2 на выемку 4, не останавливаясь в выемке 3. Эта функция была предназначена для предотвращения грубого управления поездом из-за резкого увеличения мощности, вызванного быстрым движением дроссельной заслонки («снятие дроссельной заслонки», нарушение правил эксплуатации на многих железных дорогах). Современные локомотивы больше не имеют этого ограничения, поскольку их системы управления могут плавно регулировать мощность и избегать резких изменений в загрузке поезда независимо от того, как машинист использует органы управления.

Когда дроссельная заслонка находится в положении холостого хода, первичный двигатель будет получать минимальное количество топлива, заставляя его работать на холостом ходу на низких оборотах. Кроме того, тяговые двигатели не будут подключены к основному генератору, и обмотки возбуждения генератора не будут возбуждены (запитаны) - генератор не будет вырабатывать электричество без возбуждения. Следовательно, локомотив будет на «нейтрали». Концептуально это то же самое, что перевести трансмиссию автомобиля в нейтральное положение при работающем двигателе.

Чтобы привести локомотив в движение, рукоятка управления реверсом переводится в правильное положение (вперед или назад), тормоз отпускается, а дроссель переводится в положение хода 1 (первая ступень мощности). Опытный водитель двигателя может выполнить эти действия скоординированно, что приведет к почти незаметному запуску. Позиционирование реверсора и движение дроссельной заслонки концептуально похоже на переключение автоматической трансмиссии автомобиля на передачу, когда двигатель работает на холостом ходу.

Установка дроссельной заслонки в первое положение мощности вызовет подключение тяговых двигателей к основному генератору и возбуждение катушек возбуждения последнего. При подаче возбуждения главный генератор подает электроэнергию на тяговые двигатели, приводя в движение. Если локомотив движется «налегке» (то есть не сцеплен с остальной частью поезда) и не находится на подъеме, он легко разгоняется. С другой стороны, если запускается длинный поезд, локомотив может заглохнуть, как только будет устранена некоторая слабина, поскольку сопротивление, создаваемое поездом, превысит развиваемое тяговое усилие. Опытный водитель двигателя сможет распознать зарождающийся срыв и будет постепенно увеличивать дроссельную заслонку по мере необходимости, чтобы поддерживать темп ускорения.

Когда дроссельная заслонка перемещается в положение более высокой мощности, расход топлива на первичный двигатель будет увеличиваться, что приведет к соответствующему увеличению числа оборотов в минуту и ​​выходной мощности. В то же время возбуждение поля основного генератора будет пропорционально увеличиваться для поглощения большей мощности. Это приведет к увеличению электрической мощности тяговых двигателей с соответствующим увеличением тягового усилия. В конце концов, в зависимости от требований графика движения поезда машинист переместит дроссель в положение максимальной мощности и будет удерживать его там, пока поезд не разгонится до желаемой скорости.

Двигательная установка предназначена для создания максимального крутящего момента тягового двигателя при пуске, что объясняет, почему современные локомотивы способны запускать поезда массой более 15 000 тонн даже на подъемах. Современные технологии позволяют локомотиву развивать тяговое усилие на 30% от веса загруженного машиниста, что составляет 120 000 фунтов силы (530 кН) тягового усилия для большой шестиосной грузовой (грузовой) единицы. В самом деле, состоят из таких единиц могут производить более чем достаточно тягового усилия при запуске повреждения или откосе автомобилей (если на кривой) или перерыв ответвители (последний упоминаются в североамериканской железной дороге жаргоне как «подергивания легкого» ). Поэтому водитель двигателя обязан внимательно следить за мощностью, прилагаемой при запуске, чтобы избежать повреждений. В частности, «рывок легкого» мог бы стать катастрофой, если бы он произошел на подъеме, за исключением того, что безопасность, присущая правильной работе отказоустойчивых автоматических тормозов поездов, установленных сегодня в вагонах, предотвращает неуправляемые поезда за счет автоматического включения вагон тормозит при падении давления воздуха в железнодорожной магистрали.

Работа двигательной установки

Типичная кривая постоянной мощности основного генератора на отметке 8
Левый коридор силового отсека тепловоза 2ТЭ116 У, 3 - генератор, 4 - выпрямитель, 6 - дизель.

Система управления локомотивом спроектирована таким образом, чтобы выходная электрическая мощность главного генератора согласовывалась с любой заданной частотой вращения двигателя. Учитывая врожденные характеристики тяговых двигателей, а также способ подключения двигателей к главному генератору, генератор будет вырабатывать большой ток и низкое напряжение на низких скоростях локомотива, постепенно переходя на низкий ток и высокое напряжение по мере ускорения локомотива. . Следовательно, полезная мощность, производимая локомотивом, будет оставаться постоянной для любой заданной настройки дроссельной заслонки ( см. График кривой мощности для выемки 8 ).

В более старых конструкциях регулятор первичного двигателя и сопутствующее устройство, регулятор нагрузки, играют центральную роль в системе управления. Регулятор имеет два внешних входа: запрашиваемая частота вращения двигателя, определяемая настройкой дроссельной заслонки водителя двигателя, и фактическая частота вращения двигателя ( обратная связь ). Регулятор имеет два внешних управляющих выхода: настройка топливной форсунки , определяющая расход топлива в двигателе, и положение регулятора тока, влияющее на возбуждение основного генератора. Регулятор также включает в себя отдельный механизм защиты от превышения скорости, который немедленно отключает подачу топлива к форсункам и подает сигнал тревоги в кабине, если первичный двигатель превысит определенное число оборотов в минуту. Не все эти входы и выходы обязательно электрические.

Российский тепловоз ТЭП80
EMD 12-567B 12-цилиндровый 2-тактный дизельный двигатель ( на переднем плане; квадратные отверстия «ручной»), хранится до восстановления, а также отсутствуют некоторые компоненты, с 16-567C или D 16-цилиндровый двигатель (фон, круглые отверстия для рук» ").

При изменении нагрузки на двигатель изменится и его частота вращения. Это определяется регулятором по изменению сигнала обратной связи по частоте вращения двигателя. Конечный результат состоит в том, чтобы отрегулировать как расход топлива, так и положение регулятора нагрузки, чтобы частота вращения и крутящий момент двигателя (и, следовательно, выходная мощность) оставались постоянными при любой настройке дроссельной заслонки, независимо от фактической скорости движения.

В более новых конструкциях, управляемых «тяговым компьютером», каждому шагу частоты вращения двигателя в программном обеспечении назначается соответствующая выходная мощность или «эталонная мощность в кВт». Компьютер сравнивает это значение с фактической выходной мощностью основного генератора или «обратной связью в кВт», рассчитанной на основе значений тока тягового двигателя и значений обратной связи напряжения основного генератора. Компьютер регулирует значение обратной связи, чтобы оно соответствовало опорному значению, управляя возбуждением основного генератора, как описано выше. Регулятор по-прежнему контролирует частоту вращения двигателя, но регулятор нагрузки больше не играет центральной роли в системе управления этого типа. Однако регулятор нагрузки остается «резервным» на случай перегрузки двигателя. Современные локомотивы, оснащенные электронным впрыском топлива (EFI), могут не иметь механического регулятора; однако «виртуальный» регулятор нагрузки и регулятор сохраняются вместе с компьютерными модулями.

Характеристики тягового двигателя регулируются либо путем изменения выходного напряжения постоянного тока основного генератора для двигателей постоянного тока, либо путем изменения частоты и выходного напряжения VVVF для двигателей переменного тока. В двигателях постоянного тока используются различные комбинации соединений для адаптации привода к различным условиям эксплуатации.

В состоянии покоя на выходе основного генератора изначально низкое напряжение / большой ток, часто превышающий 1000 ампер на двигатель при полной мощности. Когда локомотив находится в состоянии покоя или близок к нему, протекание тока будет ограничиваться только сопротивлением постоянному току обмоток двигателя и соединительной схемы, а также мощностью самого главного генератора. Крутящий момент в двигателе с последовательной обмоткой приблизительно пропорционален квадрату силы тока. Следовательно, тяговые двигатели будут создавать максимальный крутящий момент, заставляя локомотив развивать максимальное тяговое усилие , позволяя ему преодолевать инерцию поезда. Этот эффект аналогичен тому, что происходит в автомобильной автоматической коробке передач при запуске, когда она работает на первой передаче и тем самым обеспечивает максимальное увеличение крутящего момента.

По мере ускорения локомотива якоря вращающегося двигателя начнут генерировать противоэлектродвижущую силу (обратная ЭДС, что означает, что двигатели также пытаются действовать как генераторы), которая будет противодействовать выходному сигналу основного генератора и вызывать ток тягового двигателя. чтобы уменьшить. Напряжение главного генератора соответственно увеличится в попытке сохранить мощность двигателя, но в конечном итоге достигнет плато. В этот момент локомотив практически перестанет ускоряться, если только он не будет понижен. Поскольку это плато обычно достигается при скорости, существенно меньшей, чем максимальная, которая может быть желательна, необходимо что-то сделать, чтобы изменить характеристики привода, чтобы обеспечить непрерывное ускорение. Это изменение называется «переходом», процесс аналогичен переключению передач в автомобиле.

Методы перехода включают:

  • Последовательный / параллельный или «моторный переход».
    • Первоначально пары двигателей подключаются последовательно к основному генератору. На более высокой скорости двигатели повторно подключаются параллельно к основному генератору.
  • «Маневрирование поля», «отклонение поля» или «слабое поле».
    • Сопротивление подключено параллельно полю двигателя. Это приводит к увеличению тока якоря , вызывая соответствующее увеличение крутящего момента и скорости двигателя.

Оба метода также можно комбинировать для увеличения диапазона рабочих скоростей.

  • Переход генератор / выпрямитель
    • Повторное соединение двух отдельных внутренних обмоток статора главного генератора двух выпрямителей из параллельного в последовательный для увеличения выходного напряжения.

В старых локомотивах машинисту было необходимо вручную выполнять переход с помощью отдельного элемента управления. Чтобы помочь выполнить переход в нужное время, измеритель нагрузки (индикатор, который показывает водителю двигателя, сколько тока потребляется тяговыми двигателями) был откалиброван, чтобы указать, в каких точках должен происходить прямой или обратный переход. Впоследствии был разработан автоматический переход для повышения эффективности работы и защиты главного генератора и тяговых двигателей от перегрузки из-за неправильного перехода.

Современные локомотивы включают тяговые преобразователи переменного тока в постоянный, способные выдавать 1200 вольт (ранее тяговые генераторы , преобразовывающие постоянный ток в постоянный, были способны выдавать только 600 вольт). Это улучшение было достигнуто в основном за счет усовершенствования технологии кремниевых диодов. Благодаря возможности подачи 1200 вольт на тяговые двигатели необходимость в «переходе» отпала.

Динамическое торможение

Распространенным вариантом на дизель-электровозах является динамическое (реостатическое) торможение .

Динамическое торможение использует тот факт, что якоря тягового двигателя всегда вращаются, когда локомотив находится в движении, и что двигатель можно заставить действовать как генератор , отдельно возбуждая обмотку возбуждения. Когда используется динамическое торможение, схемы регулирования тягового усилия конфигурируются следующим образом:

  • Обмотка возбуждения каждого тягового двигателя подключена к главному генератору.
  • Якорь каждого тягового двигателя соединен через сетку сопротивления с принудительным воздушным охлаждением ( сетку динамического торможения) в крыше капота локомотива.
  • Число оборотов первичного двигателя увеличивается, и возбуждается поле главного генератора, вызывая соответствующее возбуждение полей тягового двигателя.

Совокупный эффект вышеизложенного заключается в том, что каждый тяговый двигатель вырабатывает электроэнергию и рассеивает ее в виде тепла в сети динамического торможения. Вентилятор, подключенный к сети, обеспечивает принудительное воздушное охлаждение. Следовательно, вентилятор приводится в действие мощностью тяговых двигателей, и он будет работать быстрее и производить больший воздушный поток по мере того, как в сеть подается больше энергии.

В конечном счете, источником энергии, рассеиваемой в сети динамического торможения, является движение локомотива, передаваемое якорям тягового двигателя. Следовательно, тяговые двигатели создают сопротивление, а локомотив действует как тормоз. По мере уменьшения скорости тормозной эффект ослабевает и обычно становится неэффективным при скорости ниже примерно 16 км / ч (10 миль / ч), в зависимости от передаточного числа между тяговыми двигателями и осями .

Динамическое торможение особенно полезно при работе в горных районах; где всегда есть опасность разгона из-за перегрева фрикционных тормозов при спуске. В таких случаях динамические тормоза обычно применяются в сочетании с воздушными тормозами , а комбинированный эффект называется смешанным торможением . Использование смешанного торможения также может помочь в сохранении слабины в длинном поезде, растянутом по мере того, как он преодолевает уклон, помогая предотвратить «обкатку», резкую группировку провисания поезда, которая может привести к сходу с рельсов. Смешанное торможение также обычно используется в пригородных поездах для уменьшения износа механических тормозов, что является естественным результатом многочисленных остановок, которые такие поезда обычно делают во время движения.

Электродизель

Metro-North «s GE Genesis P32AC-DM электротепловоз может также работать офф третьего рельса электризации.

Эти специальные локомотивы могут работать как электровоз или как тепловоз. Long Island Rail Road , Metro-North Railroad и новые транзитные железнодорожные операции Джерси работают двухрежимный дизель-электрический / третий рельс ( контактная сеть на NJTransit) локомотивы между неэлектрифицированной территорией и Нью - Йорком из - за местный закон , запрещающего дизель- приведенные в действие локомотивы в туннелях Манхэттена . По той же причине Amtrak управляет парком двухрежимных локомотивов в районе Нью-Йорка. British Rail использовала сдвоенные дизель-электрические / электрические локомотивы, предназначенные для работы в основном как электровозы с уменьшенной мощностью, доступной при работе на дизельном топливе. Это позволило железнодорожным станциям остаться неэлектрифицированными, так как третья железнодорожная энергосистема чрезвычайно опасна на дворовой территории.

Дизель-гидравлический

JNR DD51 1 дизель-гидравлический

В дизель-гидравлических локомотивах используется один или несколько преобразователей крутящего момента в сочетании с шестернями с фиксированным передаточным числом. Приводные валы и шестерни образуют главную передачу, передавая мощность от гидротрансформаторов на колеса и обеспечивая реверс. Разница между гидравлической и механической системами заключается в том, где регулируются скорость и крутящий момент. В системе механической трансмиссии, которая имеет несколько передаточных чисел, например, в коробке передач, если есть гидравлическая секция, она позволяет двигателю работать только тогда, когда поезд движется слишком медленно или останавливается. В гидравлической системе гидравлика является основной системой для адаптации частоты вращения двигателя и крутящего момента к ситуации в поезде, с выбором передачи только для ограниченного использования, например, для передачи заднего хода.

Гидростатическая трансмиссия

Системы гидропривода с использованием системы гидростатического гидропривода применялись на рельсах. Современные примеры включают маневровые локомотивы от 350 до 750 л.с. (от 260 до 560 кВт) от Cockerill (Бельгия), узкоколейные промышленные локомотивы от 4 до 12 тонн от 35 до 58 кВт (от 47 до 78 л.с.) от GIA, дочерней компании Atlas Copco . Гидростатические приводы также используются в машинах для обслуживания железных дорог (трамбовка, шлифовальные машины).

Применение гидростатических трансмиссий обычно ограничивается небольшими маневровыми локомотивами и оборудованием для обслуживания рельсов, а также используется для нетяговых применений в дизельных двигателях, таких как приводы для вентиляторов тяговых двигателей.

Гидрокинетическая передача

DB класс V 200 дизель-гидравлический
Дизель-гидравлический локомотив Henschel (Германия) в Медане , Северная Суматра.

Гидрокинетическая трансмиссия (также называемая гидродинамической трансмиссией) использует преобразователь крутящего момента . Гидротрансформатор состоит из трех основных частей, две из которых вращаются, а одна ( статор ) имеет блокировку, предотвращающую вращение в обратном направлении и добавляющую выходной крутящий момент путем перенаправления потока масла при низких оборотах на выходе. Все три основные части герметизированы в маслонаполненном корпусе. Чтобы согласовать частоту вращения двигателя со скоростью нагрузки во всем диапазоне скоростей локомотива, требуется некоторый дополнительный метод, обеспечивающий достаточный диапазон. Один из методов заключается в использовании гидротрансформатора с механической коробкой передач, которая автоматически переключает передаточные числа, подобно автоматической коробке передач в автомобиле. Другой метод состоит в том, чтобы предоставить несколько преобразователей крутящего момента, каждый с диапазоном изменения, покрывающим часть требуемого общего количества; все преобразователи крутящего момента постоянно механически связаны, и выбирается подходящий для требуемого диапазона скоростей путем заполнения его маслом и слива других. Заполнение и слив осуществляется с трансмиссией под нагрузкой, что обеспечивает очень плавное изменение диапазона без прерывания передаваемой мощности.

Локомотивы
Дизель-гидравлические локомотивы British Rail: класс 52 «Вестерн» , класс 42 «Военный корабль» и класс 35 «Хаймек».

Дизель-гидравлические локомотивы менее эффективны, чем дизель-электрические. Дизельная гидравлика BR первого поколения была значительно менее эффективна (около 65%), чем дизельная электрика (около 80%). Более того, во многих странах было обнаружено, что первоначальные версии были более сложными механически и с большей вероятностью выходили из строя. Гидравлическая трансмиссия для локомотивов разработана в Германии. До сих пор ведутся споры об относительных достоинствах гидравлических систем по сравнению с электрическими трансмиссионными системами: преимущества, заявленные для гидравлических систем, включают меньший вес, высокую надежность и более низкие капитальные затраты.

К 21 веку для тепловозной тяги во всем мире в большинстве стран использовались дизель-электрические конструкции, а дизель-гидравлические конструкции не использовались за пределами Германии и Японии, а также в некоторых соседних странах, где они использовались в конструкциях для грузовых работ.

В Германии и Финляндии дизель-гидравлические системы достигли высокой надежности в эксплуатации. В Великобритании дизель-гидравлический принцип получил плохую репутацию из-за плохой прочности и надежности гидравлической трансмиссии Maybach Mekydro . Споры по поводу относительной надежности гидравлических систем продолжаются, и возникают вопросы о том, были ли данные изменены в пользу местных поставщиков по сравнению с негерманскими.

Несколько единиц

Дизель-гидравлический привод обычно используется в нескольких агрегатах с различными конструкциями трансмиссии, включая преобразователи крутящего момента Voith и гидравлические муфты в сочетании с механической передачей.

Большая часть пассажирского парка DMU второго поколения компании British Rail использовала гидравлическую трансмиссию. В 21 - м веке, конструкции с использованием гидравлической передачи включают Bombardier «s Turbostar , Talent , RegioSwinger семьи; дизельные версии платформы Siemens Desiro и Stadler Regio-Shuttle .

Примеры
VR Класс DV12 дизель-гидравлический локомотив
ГМД МГУА-1 дизель-гидравлический локомотив

Дизель-гидравлические локомотивы имеют меньшую долю рынка , чем те , с дизель-электрической передачи - главный пользователь во всем мире магистральных гидравлических трансмиссий была Федеративная Республика Германия , с дизайном , включая 1950 DB класса V 200 , а 1960 и 1970 - е годы Д.Б. Семейство класса V 160 . British Rail представила ряд дизель-гидравлических конструкций во время своего Плана модернизации 1955 года , первоначально лицензированные версии немецких конструкций (см. Категория: Дизель-гидравлические локомотивы Великобритании ). В Испании Renfe использовала двухмоторные немецкие конструкции с высоким соотношением мощности и веса для перевозки высокоскоростных поездов с 1960-х по 1990-е годы. (См. Классы Renfe 340 , 350 , 352 , 353 , 354 )

Среди других магистральных локомотивов послевоенного периода - экспериментальные локомотивы ГМД ГМДХ-1 1950-х годов ; Henschel & Son построен Южноафриканский класса 61-000 ; в 1960-х годах компания Southern Pacific закупила 18 дизель-гидравлических локомотивов Krauss-Maffei KM ML-4000 . Denver & Rio Grande Western Railroad также купил три, все из которых впоследствии были проданы СП.

В Финляндии с начала 1960-х годов непрерывно используются более 200 финских дизель-гидравлических систем VR класса Dv12 и Dr14 с трансмиссиями Voith . Все агрегаты класса Dr14 и большинство агрегатов класса Dv12 до сих пор находятся в строю. VR отказалась от некоторых слабокондиционных устройств Dv12 серии 2700.

В серийном производстве 21 века стандартные дизель-гидравлические конструкции включают Voith Gravita , заказанные Deutsche Bahn , и конструкции Vossloh G2000 BB , G1206 и G1700 , все произведенные в Германии для грузовых перевозок.

Дизель – пар

Советский паровоз ТП1

Гибридные паровозы с дизельным двигателем могут использовать пар, вырабатываемый котлом или дизелем, для питания поршневого двигателя. Система сжатого пара Cristiani использовала дизельный двигатель для привода компрессора в действие и рециркуляции пара, производимого котлом; эффективное использование пара в качестве среды передачи энергии, при этом дизельный двигатель является основным двигателем

Дизель-пневматический

Дизель-пневматический локомотив представлял интерес в 1930-х годах, потому что он давал возможность переоборудовать существующие паровозы на дизельные. Рама и цилиндры паровоза будут сохранены, а котел будет заменен дизельным двигателем, приводящим в движение воздушный компрессор . Проблема заключалась в низком тепловом КПД из-за большого количества энергии, теряемой в виде тепла в воздушном компрессоре. Были предприняты попытки компенсировать это за счет использования выхлопных газов дизельного двигателя для повторного нагрева сжатого воздуха, но они имели ограниченный успех. Немецкое предложение 1929 года действительно привело к созданию прототипа, но аналогичное британское предложение 1932 года об использовании локомотива LNER класса R1 так и не вышло за пределы стадии проектирования.

Многоблочная работа

Дизель-электровоз производства EMD для обслуживания в Великобритании и континентальной Европе.

Большинство тепловозов могут работать с несколькими агрегатами (MU) как средство увеличения мощности и тягового усилия при буксировке тяжелых поездов. Все североамериканские локомотивы, включая экспортные модели, используют стандартизированную систему электрического управления AAR , соединенную 27-контактным кабелем MU между модулями. Для локомотивов, построенных в Великобритании, используется ряд несовместимых систем управления, но наиболее распространенной является система Blue Star, которая является электропневматической и подходит для большинства ранних классов дизелей. Небольшое количество типов, обычно более мощные локомотивы, предназначенные только для пассажирских перевозок, не имеют нескольких систем управления. Во всех случаях, электрические соединения управления сделаны общее для всех единиц в состоит называется trainlines . Результатом является то , что все локомотивы в состоят , ведут себя как один в ответ на движения контроля водителя двигателя.

Возможность соединять дизель-электрические локомотивы по типу MU была впервые представлена ​​в четырехэлементном демонстраторе EMD FT, который гастролировал по США в 1939 году. В то время правила работы американских железных дорог требовали, чтобы каждый работающий локомотив в поезде имел на борту полный экипаж. Компания EMD обошла это требование, соединив отдельные блоки демонстратора с дышлами вместо обычных шарнирных соединителей и объявив комбинацию одним локомотивом. Электрические соединения были выполнены таким образом, чтобы один водитель двигателя мог управлять всем составом из головного блока. Позже в правила работы были внесены поправки, и полупостоянная связь агрегатов с дышлами была заменена на муфты, так как обслуживание оказалось несколько громоздким из-за общей длины состава (около 200 футов или почти 61 метр).

В горных регионах обычно устанавливают вспомогательные локомотивы в середине поезда, чтобы обеспечить дополнительную мощность, необходимую для подъема на уклон, и ограничить величину напряжения, прилагаемого к поглощающему устройству вагона, соединенного с головной частью. власть. Вспомогательные блоки в таких конфигурациях с распределенным питанием управляются из кабины ведущего блока с помощью кодированных радиосигналов. Хотя технически это не конфигурация MU, поведение такое же, как и с физически соединенными блоками.

Расположение кабины

Компоновка кабины зависит от производителя и оператора. Практика в США традиционно была для кабины на одном конце локомотива с ограниченной видимостью, если локомотив не управляется кабиной вперед. Обычно это не проблема, поскольку локомотивы США обычно эксплуатируются парами или тройками и расположены так, что кабины находятся на каждом конце каждого комплекта. В Европе обычно кабины устанавливаются на каждом конце локомотива, поскольку поезда обычно достаточно легкие, чтобы работать с одним локомотивом. Ранняя практика США заключалась в добавлении силовых агрегатов без кабин (бустеры или блоки B ), и часто расположение было AB, AA, ABA, ABB или ABBA, где A было блоком с кабиной. Центральные кабины иногда использовались для стрелковых локомотивов.

Корова-теленок

На железных дорогах Северной Америки комплект « корова-теленок» представляет собой пару локомотивов стрелочного типа: один (корова) с кабиной для машиниста, другой (теленок) без кабины и управляется от коровы по тросам. Наборы для телят используются в тяжелых условиях эксплуатации и горных дворов . Некоторые из них управляются по радио без присутствия инженера-оператора в кабине. Такое расположение также известно как главный-подчиненный . Там, где присутствовали два соединенных блока, EMD называл эти TR-2 (приблизительно 2 000 л.с. или 1 500 кВт); где три агрегата, ТР-3 (примерно 3000 л.с. или 2200 кВт).

Телята в значительной степени исчезли, поскольку срок службы этих комбинаций двигателей превысил срок их службы много лет назад.

Современная практика в Северной Америке состоит в том, чтобы соединить два дорожных переключателя GP40-2 или SD40-2 мощностью 3000 л.с. (2200 кВт) , часто почти изношенных и очень скоро готовых к восстановлению или утилизации, и использовать их для так называемого «передаточного» использования. , для которых изначально предназначались двигатели TR-2, TR-3 и TR-4, отсюда и обозначение TR, для «передачи».

Иногда из второго агрегата могут быть сняты его первичный двигатель и тяговый генератор и заменены бетонным или стальным балластом, а мощность для тяги получается от главного агрегата. Поскольку 16-цилиндровый первичный двигатель обычно весит в диапазоне 36000 фунтов (16000 кг), а тяговый генератор на 3000 л.с. (2200 кВт) обычно весит в диапазоне 18000 фунтов (8200 кг), это будет означать, что 54000 фунтов (24000 кг) потребуется для балласта.

Пара полнофункциональных агрегатов «Dash 2» будет иметь мощность 6000 л.с. (4500 кВт). Пара "Dash 2", в которой только один из них имеет первичный двигатель / генератор, будет иметь мощность 3000 л.с. (2200 кВт), при этом вся мощность будет обеспечиваться ведущим, но комбинация выигрывает от тягового усилия, обеспечиваемого ведомым устройством в качестве двигателей в передаточном режиме. от них редко требуется обеспечивать мощность 3000 л.с. (2200 кВт), тем более 6000 л.с. (4500 кВт) на постоянной основе.

Фурнитура и техника

Огнестойкость

Стандартный тепловоз представляет очень низкий риск возгорания, но «огнестойкость» может снизить риск еще больше. Это включает установку коробки с водой на выхлопную трубу, чтобы погасить любые раскаленные частицы углерода, которые могут быть выброшены. Другие меры предосторожности могут включать в себя полностью изолированную электрическую систему (ни одна из сторон не заземлена на раму) и всю электрическую проводку, заключенную в кабелепровод.

Взрывобезопасный тепловоз заменил безпожарный паровоз в зонах повышенной пожарной опасности, таких как нефтеперерабатывающие заводы и склады боеприпасов . Сохранившиеся примеры взрывозащищенных тепловозов включают:

Последняя разработка «Новая система сухой очистки выхлопных газов с применением новой системы очистки выхлопных газов с применением взрывобезопасных дизельных транспортных средств» не требует водоснабжения.

Огни

Canadian National Railway поезд , показывающий размещение фар и канавы огни на локомотиве.

Светильники, установленные на тепловозах, различаются от страны к стране. Североамериканские локомотивы оснащены двумя фарами (для безопасности в случае неисправности одной из них) и парой фар для канав. Последние установлены низко спереди и предназначены для того, чтобы локомотив был легко заметен при приближении к переезду . Старые локомотивы могут быть оснащены Gyralite или Mars Light вместо фонарей канавы.

Воздействие на окружающую среду

Хотя тепловозы обычно выделяют меньше диоксида серы, основного загрязнителя окружающей среды, и парниковых газов, чем паровозы, они не являются полностью чистыми в этом отношении. Кроме того, как и другие автомобили с дизельным двигателем, они выделяют оксиды азота и мелкие частицы , которые представляют опасность для здоровья населения. Фактически, в этом последнем отношении тепловозы могут загрязнять больше, чем паровозы.

В течение многих лет ученые американского правительства, измеряющие уровень загрязнения воздуха , считали, что двигатели тепловозов относительно чисты и выделяют гораздо менее опасные для здоровья выбросы, чем дизельные грузовики или другие транспортные средства; однако ученые обнаружили, что, поскольку они использовали ошибочные оценки количества топлива, потребляемого дизельными локомотивами, они сильно занизили количество загрязнений, образующихся ежегодно. После пересмотра своих расчетов они пришли к выводу, что годовые выбросы оксида азота, основного ингредиента смога и кислотных дождей , и сажи к 2030 году будут почти вдвое больше, чем они первоначально предполагали. В Европе, где электрифицировано большинство крупных железных дорог, это вызывает меньшее беспокойство.

Это будет означать, что тепловозы будут выбрасывать более 800 000 тонн оксида азота и 25 000 тонн сажи каждый год в течение четверти века, в отличие от предыдущих прогнозов EPA о 480 000 тонн диоксида азота и 12 000 тонн сажи. Поскольку это было обнаружено, чтобы уменьшить воздействие тепловоза на людей (которые вдыхают вредные выбросы), а также на растения и животных, считается целесообразным установка ловушек в дизельных двигателях для снижения уровней загрязнения и других форм (например, использование биодизеля ).

Загрязнение тепловозов вызывает особую озабоченность в городе Чикаго . Газета Chicago Tribune сообщила, что уровни дизельной сажи внутри локомотивов, покидающих Чикаго, в сотни раз превышают уровни, обычно обнаруживаемые на улицах за пределами Чикаго. Жители нескольких кварталов, скорее всего, подвергаются выбросам дизельного топлива на уровнях, в несколько раз превышающих средний национальный показатель для городских районов.

Смягчение

В 2008 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) издало нормативные акты, требующие, чтобы все новые или модернизированные тепловозы соответствовали стандартам загрязнения Tier II, которые сокращают допустимое количество сажи на 90% и требуют снижения выбросов оксидов азота на 80% . См. Список локомотивов с низким уровнем выбросов .

Другие технологии, которые используются для сокращения выбросов локомотивов и расхода топлива, включают локомотивы «Genset» и гибридные конструкции Green Goat . В электрогенераторных локомотивах используется несколько небольших высокоскоростных дизельных двигателей и генераторов (генераторных установок), а не один среднеоборотный дизельный двигатель и один генератор. Из-за стоимости разработки экологически чистых двигателей эти небольшие высокоскоростные двигатели основаны на уже разработанных двигателях грузовых автомобилей. Green Goats - это тип гибридного переключающегося локомотива, в котором используется небольшой дизельный двигатель и большой набор аккумуляторных батарей. Смена локомотивов вызывает особую озабоченность, поскольку они обычно работают на ограниченной территории, часто в городских центрах или вблизи них, и большую часть времени проводят в режиме ожидания. Обе конструкции снижают уровень загрязнения ниже стандартов EPA Tier II и сокращают или устраняют выбросы во время простоя.

Преимущества перед паром

По мере развития тепловозов стоимость их производства и эксплуатации упала, и владеть ими и эксплуатировать их стало дешевле, чем паровозами. В Северной Америке паровозы изготавливались по индивидуальному заказу для конкретных железнодорожных маршрутов, поэтому добиться экономии за счет масштаба было трудно. Хотя их было сложнее производить с жесткими производственными допусками ( 110000 дюйма или 0,0025 миллиметра для дизельного двигателя, по сравнению с 1100 дюйма (0,25 мм) для пара), детали тепловозов было легче производить в серийном производстве. В период своего расцвета компания Baldwin Locomotive Works предлагала почти пятьсот паровых моделей, в то время как EMD предлагала менее десяти разновидностей дизельных двигателей. В Соединенном Королевстве British Railways строила паровозы стандартной конструкции с 1951 года. В их число входили стандартные сменные детали, что делало их дешевле в производстве, чем доступные в то время тепловозы. Капитальные затраты на тяговую мощность в лошадиных силах составляли 13 6 шиллингов (пар), 65 фунтов стерлингов (дизельное топливо), 69 фунтов стерлингов 7 шиллингов (турбина) и 17 фунтов стерлингов 13 шиллингов (электрические).

Тепловозы обладают значительными эксплуатационными преимуществами по сравнению с паровозами. Им может безопасно управлять один человек, что делает их идеальными для переключения / маневрирования на станциях (хотя по соображениям безопасности многие магистральные тепловозы по-прежнему имеют бригады из двух человек: инженер и кондуктор / стрелочник) и рабочей среды. намного привлекательнее, тише, полностью защищен от атмосферных воздействий и не содержит грязи и тепла, которые являются неотъемлемой частью эксплуатации паровоза. Тепловозы могут работать в составе нескольких локомотивов, при этом одна бригада управляет несколькими локомотивами в одном поезде, что непрактично с паровозами. Это повысило эффективность оператора, поскольку отдельные локомотивы могли быть относительно маломощными для использования в качестве единого блока для легких задач, но собирались вместе, чтобы обеспечить мощность, необходимую для тяжелого поезда. При паровой тяге для самых тяжелых поездов требовался один очень мощный и дорогой локомотив, или оператор прибегал к двойному движению с несколькими локомотивами и бригадами, что также было дорогостоящим и сопряжено с собственными трудностями в эксплуатации.

Дизельные двигатели можно запускать и останавливать почти мгновенно, а это означает, что тепловоз может не нести никаких затрат на топливо, когда он не используется. Однако на крупных железных дорогах Северной Америки до сих пор практикуется использование в качестве охлаждающей жидкости в дизельных двигателях чистой воды вместо охлаждающих жидкостей, обладающих антифризными свойствами; это приводит к тому, что тепловозы остаются на холостом ходу при стоянке в холодном климате вместо того, чтобы полностью останавливаться. Дизельный двигатель можно оставить на холостом ходу без присмотра в течение нескольких часов или даже дней, тем более что практически каждый дизельный двигатель, используемый в локомотивах, имеет системы, которые автоматически выключают двигатель при возникновении таких проблем, как потеря давления масла или потеря охлаждающей жидкости. Доступны системы автоматического запуска / остановки, которые контролируют температуру охлаждающей жидкости и двигателя. Когда в агрегате почти замерзнет охлаждающая жидкость, система перезапускает дизельный двигатель, чтобы нагреть охлаждающую жидкость и другие системы.

Паровозы требуют интенсивного обслуживания, смазки и очистки до, во время и после использования. Подготовка и запуск паровоза к работе с холода может занять много часов. Их можно держать наготове между использованием при слабом огне, но для этого требуется регулярное топление и частое внимание для поддержания уровня воды в бойлере. Это может быть необходимо для предотвращения замерзания воды в бойлере в холодном климате, если вода не замерзает. После использования паровозу требуется длительная операция по утилизации, чтобы выполнить очистку, осмотр, техническое обслуживание и долить воду и топливо, прежде чем он будет готов к следующей работе. Напротив, еще в 1939 году EMD продвигала свой локомотив серии FT как не нуждающийся в техническом обслуживании между 30-дневными проверками, помимо дозаправки и базового уровня жидкости, а также проверок безопасности, которые можно было проводить при работающем первичном двигателе. Переход железных дорог с паровой на дизельную работу в 1940-х и 1950-х годах показал, что в течение определенного периода тепловозы были доступны в среднем в три или четыре раза больше, чем эквивалентные паровозы, что позволило резко сократить размер локомотивного парка. при сохранении работоспособности.

Расходы на обслуживание и эксплуатацию паровозов были намного выше, чем у дизелей. Ежегодные затраты на техническое обслуживание паровозов составили 25% от начальной закупочной цены. Запчасти отливались из деревянных мастеров для конкретных локомотивов. Огромное количество уникальных паровозов означало, что не было возможности поддерживать запасы запчастей. С помощью дизельных локомотивов запасные части могут производиться серийно и храниться на складе, готовые к использованию, а многие детали и узлы могут быть стандартизированы для всего парка оператора с использованием различных моделей локомотивов от одного и того же производителя. Современные тепловозные двигатели позволяют заменять силовые агрегаты (системы рабочих частей и их сопряжения с блоками) при сохранении основного блока в локомотиве, что значительно сокращает время, в течение которого локомотив не используется для получения дохода, когда он требует обслуживания.

Паровые двигатели требовали большого количества угля и воды, что было дорогостоящими переменными эксплуатационными расходами. Кроме того, тепловой КПД пара был значительно ниже, чем у дизельных двигателей. Теоретические исследования Дизеля продемонстрировали потенциальный тепловой КПД двигателя с воспламенением от сжатия 36% (по сравнению с 6–10% для пара), а одноцилиндровый прототип 1897 года работал с замечательной эффективностью 26%.

Однако одно исследование, опубликованное в 1959 году, показало, что многие сравнения дизельных и паровозов были несправедливы, в основном потому, что дизели были более новой технологией. После кропотливого анализа финансовых отчетов и технического прогресса автор обнаружил, что, если бы исследования паровой технологии продолжались вместо дизельного топлива, переход на дизельное движение принес бы ничтожную финансовую выгоду.

К середине 1960-х тепловозы фактически заменили паровозы, где электрическая тяга не использовалась. Попытки разработать передовую паровую технологию продолжаются в 21 веке, но не дали значительного эффекта.

Смотрите также

использованная литература

Источники

внешние ссылки