- Wainwright SECR Class P на железной дороге Severn Valley , Англия
Локомотив Тревитика 1802 года
.jpg/1280px-HXD1D_0115@NXH_(20180518091616).jpg)
Локомотив — это рельсовое транспортное средство , которое обеспечивает движущую силу для поезда . Если локомотив способен перевозить полезную нагрузку, его обычно называют моторвагонным вагоном , автомотрисой или моторвагоном ; использование этих самоходных транспортных средств становится все более распространенным для пассажирских поездов , но редким для грузовых поездов .
Традиционно локомотивы тянули поезда спереди. Однако, операция «тяни-толкай» стала обычной, когда поезд может иметь локомотив (или локомотивы) спереди, сзади или на каждом конце. Совсем недавно железные дороги начали внедрять DPU или распределенную мощность. Впереди может быть один или два локомотива, за которыми следует локомотив в середине поезда, который управляется дистанционно с ведущего блока.
Слово «локомотив» происходит от латинского loco — «из места», творительного падежа от locus — «место», и средневекового латинского motivus — «вызывающий движение», и является сокращенной формой термина «локомотивный двигатель » [1] , который впервые был использован в 1814 году [2] для различения самоходных и стационарных паровых двигателей .
До появления локомотивов движущая сила железных дорог создавалась различными низкотехнологичными методами, такими как человеческая сила, лошадиная сила, гравитация или стационарные двигатели, которые приводили в движение кабельные системы. Немногие из таких систем существуют и сегодня. Локомотивы могут вырабатывать свою энергию из топлива (древесины, угля, нефти или природного газа), или они могут получать энергию от внешнего источника электроэнергии. Обычно локомотивы классифицируют по источнику энергии. К наиболее распространенным относятся:
Паровоз — это локомотив, основным источником энергии которого является паровой двигатель . Наиболее распространенная форма паровоза также содержит котел для выработки пара, используемого двигателем. Вода в котле нагревается путем сжигания горючего материала — обычно угля, древесины или нефти — для производства пара. Пар перемещает возвратно-поступательные поршни , которые соединены с главными колесами локомотива, известными как « ведущие колеса ». Топливо и вода перевозятся вместе с локомотивом, либо на самом локомотиве, в бункерах и цистернах (такое устройство известно как « локомотив-цистерна »), либо тянутся за локомотивом, в тендерах (такое устройство известно как « локомотив-тендер »).
Первый полноценный рабочий железнодорожный паровоз был построен Ричардом Тревитиком в 1802 году. Он был построен для металлургического завода Coalbrookdale в Шропшире в Англии, хотя никаких записей о его работе там не сохранилось. [3] 21 февраля 1804 года состоялась первая зарегистрированная поездка на паровой тяге по железной дороге, когда другой локомотив Тревитика тянул поезд с металлургического завода Penydarren в Мертир-Тидвиле в Аберсинон в Южном Уэльсе. [4] [5] В сопровождении Эндрю Вивиана он ходил с переменным успехом. [6] Конструкция включала ряд важных инноваций, включая использование пара высокого давления, что уменьшило вес двигателя и повысило его эффективность.
В 1812 году двухцилиндровый зубчатый локомотив Мэтью Мюррея Salamanca впервые отправился на реечно-шестеренчатую передачу Middleton Railway ; [7] его обычно считают первым коммерчески успешным локомотивом. [8] [9] Другим известным ранним локомотивом был Puffing Billy , построенный в 1813–14 годах инженером Уильямом Хедли для шахты Wylam Colliery около Ньюкасл-апон-Тайн . Этот локомотив является старейшим сохранившимся и находится в статической экспозиции в Музее науки в Лондоне. Джордж Стефенсон построил Locomotion No. 1 для железной дороги Stockton & Darlington на северо-востоке Англии, которая была первой общественной паровой железной дорогой в мире. В 1829 году его сын Роберт построил The Rocket в Ньюкасл-апон-Тайн. Rocket участвовал в Rainhill Trials и выиграл их. Этот успех привел к тому, что компания стала выдающимся ранним производителем паровозов, используемых на железных дорогах Великобритании, США и большей части Европы. [10] Ливерпульско -Манчестерская железная дорога , построенная Стефенсоном, открылась годом позже, используя исключительно паровую энергию для пассажирских и грузовых поездов .
Паровоз оставался самым распространенным типом локомотива вплоть до окончания Второй мировой войны . [11] Паровозы менее эффективны, чем современные дизельные и электрические локомотивы, и для их эксплуатации и обслуживания требуется значительно больше рабочей силы. [12] Данные British Rail показали, что стоимость экипажа и заправки паровоза была примерно в два с половиной раза больше, чем стоимость содержания эквивалентного тепловоза, а ежедневный пробег, который они могли преодолеть, был ниже. [ требуется ссылка ] Примерно между 1950 и 1970 годами большинство паровозов были выведены из коммерческой эксплуатации и заменены электрическими и дизель-электрическими локомотивами. [13] [14] В то время как Северная Америка перешла от пара в 1950-х годах, а континентальная Европа — в 1970-х годах, в других частях мира переход произошел позже. Пар был знакомой технологией, которая использовала широкодоступное топливо и в экономиках с низкой заработной платой не страдала от столь большого разрыва в стоимости. Он продолжал использоваться во многих странах до конца 20-го века. К концу XX века практически единственным регулярно используемым в мире видом паровой тяги оставались железные дороги исторического значения .
.jpg/1280px-Teplovoz_Eel2_(2).jpg)
Локомотивы внутреннего сгорания используют двигатель внутреннего сгорания , соединенный с ведущими колесами посредством трансмиссии. Обычно они поддерживают работу двигателя на почти постоянной скорости, независимо от того, находится ли локомотив на месте или движется. Локомотивы внутреннего сгорания классифицируются по типу топлива и подразделяются по типу трансмиссии.
Первым рельсовым транспортным средством с двигателем внутреннего сгорания была работающая на керосине дрезина, построенная Готлибом Даймлером в 1887 году [15] , но технически она не была локомотивом, поскольку перевозила полезный груз.
Самый ранний бензиновый локомотив на западе США был построен Best Manufacturing Company в 1891 году для железной дороги Сан-Хосе и Алум-Рок . Он имел лишь ограниченный успех и был возвращен Best в 1892 году. [16]
Первым коммерчески успешным бензиновым локомотивом в Соединенном Королевстве был бензино-механический локомотив, построенный компанией Maudslay Motor Company в 1902 году для рынка скота Дептфорд в Лондоне . Это был локомотив мощностью 80 л. с., использующий трехцилиндровый вертикальный бензиновый двигатель с двухступенчатой механической коробкой передач.
Тепловозы приводятся в действие дизельными двигателями . На заре развития дизельных двигателей с разной степенью успеха применялись различные системы трансмиссии, при этом наиболее популярной оказалась электрическая трансмиссия. В 1914 году Герман Лемп , инженер-электрик General Electric , разработал и запатентовал надежную систему электрического управления постоянным током (последующие усовершенствования также были запатентованы Лемпом). [17] Конструкция Лемпа использовала один рычаг для управления как двигателем, так и генератором скоординированным образом и стала прототипом для управления всеми дизель-электрическими локомотивами . В 1917–1918 годах GE выпустила три экспериментальных дизель-электрических локомотива, используя конструкцию управления Лемпа. [18] В 1924 году начал работу дизель-электрический локомотив ( E el 2, оригинальный номер Юэ 001/Yu-e 001). Он был спроектирован группой под руководством Юрия Ломоносова и построен в 1923–1924 годах на заводе Maschinenfabrik Esslingen в Германии. У него было 5 ведущих осей (1'E1'). После нескольких тестовых поездок он тянул поезда почти три десятилетия с 1925 по 1954 год. [19]
Электровоз — это локомотив, работающий только на электричестве. Электроэнергия подается в движущиеся поезда с помощью (почти) непрерывного проводника, проходящего вдоль пути, который обычно имеет одну из трех форм: воздушная линия , подвешенная к столбам или башням вдоль пути или к потолку конструкции или туннеля; третий рельс, установленный на уровне пути; или бортовая батарея . Как системы с воздушным проводом, так и системы с третьим рельсом обычно используют ходовые рельсы в качестве обратного проводника, но некоторые системы используют для этой цели отдельный четвертый рельс. Тип используемой электроэнергии — это либо постоянный ток (DC), либо переменный ток (AC).
Существуют различные методы сбора: троллейный столб , который представляет собой длинный гибкий столб, который зацепляет линию с помощью колеса или башмака; дуговой коллектор , который представляет собой раму, которая удерживает длинный собирающий стержень против провода; пантограф , который представляет собой шарнирную раму, которая удерживает собирающие башмаки против провода в фиксированной геометрии; или контактный башмак , который представляет собой башмак, контактирующий с третьим рельсом. Из трех методов метод пантографа лучше всего подходит для высокоскоростной работы.
Электровозы почти повсеместно используют тяговые двигатели с подвеской на оси, по одному двигателю на каждую приводную ось. В этой конструкции одна сторона корпуса двигателя поддерживается подшипниками скольжения, которые движутся на отшлифованной и отполированной шейке, которая является неотъемлемой частью оси. Другая сторона корпуса имеет выступ в форме язычка, который входит в зацепление с соответствующим пазом в надрессорной балке тележки, его цель — действовать как устройство реакции крутящего момента, а также как опора. Передача мощности от двигателя к оси осуществляется с помощью прямозубой цилиндрической передачи , в которой шестерня на валу двигателя входит в зацепление с зубчатым колесом на оси. Обе шестерни заключены в герметичный корпус, содержащий смазочное масло. Тип обслуживания, в котором используется локомотив, диктует используемое передаточное отношение. Численно высокие передаточные отношения обычно встречаются на грузовых единицах, тогда как численно низкие передаточные отношения типичны для пассажирских двигателей.
Электроэнергия обычно вырабатывается на крупных и относительно эффективных генерирующих станциях , передается в железнодорожную сеть и распределяется по поездам. Некоторые электрические железные дороги имеют собственные специализированные генерирующие станции и линии электропередачи, но большинство покупают электроэнергию у электроэнергетической компании . Железная дорога обычно предоставляет собственные распределительные линии, переключатели и трансформаторы .
Электровозы обычно стоят на 20% дешевле тепловозов, их техническое обслуживание обходится на 25–35% дешевле, а эксплуатация обходится на 50% дешевле. [20]
Самые ранние системы были системами постоянного тока . Первый электрический пассажирский поезд был представлен Вернером фон Сименсом в Берлине в 1879 году. Локомотив приводился в движение двигателем последовательного возбуждения мощностью 2,2 кВт, а поезд, состоящий из локомотива и трех вагонов, достигал скорости 13 км/ч. В течение четырех месяцев поезд перевозил 90 000 пассажиров по кольцевому пути длиной 300 метров (984 фута). Электричество (150 В постоянного тока) подавалось по третьему изолированному рельсу между путями. Для сбора электроэнергии использовался контактный ролик. Первая в мире электрическая трамвайная линия открылась в Лихтерфельде недалеко от Берлина, Германия, в 1881 году. Она была построена Вернером фон Сименсом (см. Gross-Lichterfelde Tramway и Berlin Straßenbahn ). Volk's Electric Railway открылась в 1883 году в Брайтоне и является старейшей сохранившейся электрической железной дорогой. Также в 1883 году трамвай Mödling and Hinterbrühl открылся недалеко от Вены в Австрии. Это был первый в мире регулярный трамвай, работающий от воздушной линии. Пять лет спустя в США электрические трамваи впервые появились в 1888 году на пассажирской железной дороге Richmond Union , используя оборудование, разработанное Фрэнком Дж. Спрагом . [21]
Первой электрифицированной подземной линией была City & South London Railway , создание которой было вызвано пунктом в ее законе о разрешении, запрещающим использование паровой энергии. [22] Она открылась в 1890 году, используя электровозы, построенные Mather & Platt . Электричество быстро стало основным источником питания для метрополитенов, чему способствовало изобретение Спрагом многосекционного управления поездами в 1897 году.
Первое использование электрификации на основной линии было на четырехмильном участке Baltimore Belt Line компании Baltimore & Ohio (B&O) в 1895 году, соединяющем основную часть B&O с новой линией в Нью-Йорк через ряд туннелей по краям центра Балтимора. Первоначально использовались три блока Bo+Bo на южном конце электрифицированного участка; они прицеплялись к локомотиву и поезду и тянули его через туннели. [23]
В более ранних системах использовался постоянный ток. Эти системы постепенно заменялись переменным током. Сегодня почти все основные железные дороги используют системы переменного тока. Системы постоянного тока в основном используются в городских перевозках, таких как метро, легкорельсовый транспорт и трамваи, где потребность в энергии меньше.
Первый практический электровоз переменного тока был разработан Чарльзом Брауном , тогда работавшим на Oerlikon , Цюрих. В 1891 году Браун продемонстрировал передачу электроэнергии на большие расстояния с использованием трехфазного переменного тока между гидроэлектростанцией в Лауффене-на-Неккаре и Франкфуртом -на-Майне-Вестфалии на расстояние 280 км. Используя опыт, полученный им во время работы на Жана Хайльмана над проектами паровозов, Браун заметил, что трехфазные двигатели имеют более высокое отношение мощности к весу, чем двигатели постоянного тока , и из-за отсутствия коммутатора их проще производить и обслуживать. [a] Однако они были намного больше двигателей постоянного тока того времени и не могли быть установлены в подпольных тележках : их можно было перевозить только внутри кузовов локомотивов. [25]
В 1894 году венгерский инженер Кальман Кандо разработал новый тип 3-фазных асинхронных электродвигателей и генераторов для электровозов. Ранние разработки Кандо 1894 года были впервые применены в коротком трехфазном трамвае переменного тока в Эвиан-ле-Бен (Франция), который был построен между 1896 и 1898 годами. [26] [27] [28] [29] [30] В 1918 году [31] Кандо изобрел и разработал роторный фазовый преобразователь , позволяющий электровозам использовать трехфазные двигатели, питаемые через один воздушный провод, несущий простую промышленную частоту (50 Гц) однофазного переменного тока высоковольтных национальных сетей. [32]
В 1896 году компания Oerlikon установила первый коммерческий образец системы на трамвае Лугано . Каждый 30-тонный локомотив имел два двигателя мощностью 110 кВт (150 л. с.), работавших от трехфазного тока напряжением 750 В и частотой 40 Гц, питавшегося от двух воздушных линий. Трехфазные двигатели работают с постоянной скоростью и обеспечивают рекуперативное торможение , а также хорошо подходят для крутых уклонов, и первые трехфазные локомотивы для магистрали были поставлены компанией Brown (к тому времени в партнерстве с Вальтером Бовери ) в 1899 году на 40-километровой линии Бургдорф—Тун , Швейцария. Первая реализация однофазного переменного тока промышленной частоты для локомотивов была осуществлена компанией Oerlikon в 1901 году с использованием конструкций Ганса Бен-Эшенбурга и Эмиля Хубер-Штокара ; Монтаж на линии Зеебах-Веттинген Швейцарских федеральных железных дорог был завершен в 1904 году. Локомотивы 15 кВ, 50 Гц, 345 кВт (460 л. с.), 48 тонн использовали трансформаторы и вращающиеся преобразователи для питания тяговых двигателей постоянного тока. [33]
Итальянские железные дороги были первыми в мире, кто ввел электрическую тягу на всей длине главной линии, а не только на коротком участке. 106-километровая линия Вальтеллина была открыта 4 сентября 1902 года, спроектированная Кандо и командой из заводов Ганца. [34] [32] Электрическая система была трехфазной на 3 кВ 15 Гц. Напряжение было значительно выше, чем использовалось ранее, и потребовало новых конструкций электродвигателей и коммутационных устройств. [35] [36] Трехфазная двухпроводная система использовалась на нескольких железных дорогах Северной Италии и стала известна как «итальянская система». Кандо был приглашен в 1905 году взять на себя управление Società Italiana Westinghouse и руководил разработкой нескольких итальянских электровозов. [35]
Аккумуляторный электровоз (или аккумуляторный локомотив) — электровоз, работающий от бортовых аккумуляторных батарей ; разновидность аккумуляторного электромобиля .
Такие локомотивы используются там, где обычный дизельный или электрический локомотив был бы неподходящим. Примером являются поезда технического обслуживания на электрифицированных линиях, когда электроснабжение отключено. Другое применение - на промышленных предприятиях, где локомотив с двигателем внутреннего сгорания (т. е. паровой или дизельный ) может создать проблему безопасности из-за риска возгорания, взрыва или испарений в замкнутом пространстве. Электровозы на аккумуляторах предпочтительны для шахт, где газ может воспламениться от троллейбусных агрегатов, образующих дугу на башмаках для сбора, или где электрическое сопротивление может развиться в цепях подачи или возврата, особенно на рельсовых стыках, и допустить опасную утечку тока в землю. [37] Электровозы на аккумуляторах в дорожном обслуживании могут перезаряжаться, поглощая энергию динамического торможения. [38]
Первый известный электровоз был построен в 1837 году химиком Робертом Дэвидсоном из Абердина , и он работал на гальванических элементах (батареях). Позже Дэвидсон построил более крупный локомотив под названием Galvani , выставленный на выставке Королевского шотландского общества искусств в 1841 году. Семитонное транспортное средство имело два прямоприводных реактивных двигателя с фиксированными электромагнитами, действующими на железные стержни, прикрепленные к деревянному цилиндру на каждой оси, и простые коммутаторы . Он тянул груз в шесть тонн со скоростью четыре мили в час (6 километров в час) на расстояние в полторы мили (2,4 километра). Он был испытан на железной дороге Эдинбурга и Глазго в сентябре следующего года, но ограниченная мощность батарей помешала его широкому использованию. [39] [40] [41]
Другим примером является медный рудник Кеннекотт в Латуше, Аляска, где в 1917 году подземные откаточные пути были расширены, чтобы обеспечить работу двух аккумуляторных локомотивов по 4+1 ⁄ 2 тонны. [42] В 1928 году Kennecott Copper заказала четыре электровоза серии 700 с бортовыми батареями. Эти локомотивы весили 85 тонн и работали на контактном проводе напряжением 750 вольт со значительным запасом хода при работе от батарей. [43] Локомотивы прослужили несколько десятилетий, используя технологию никель-железных батарей (Эдисона). Батареи были заменены свинцово-кислотными батареями , и вскоре после этого локомотивы были выведены из эксплуатации. Все четыре локомотива были переданы в дар музеям, но один был списан. Остальные можно увидеть на железной дороге Бун и Сценик-Вэлли , штат Айова, и в Музее Западной железной дороги в Рио-Виста, штат Калифорния. Ранее Комиссия по транзиту Торонто эксплуатировала электровоз на батареях, построенный компанией Nippon Sharyo в 1968 году и выведенный из эксплуатации в 2009 году. [44]
Лондонский метрополитен регулярно использует аккумуляторные электровозы для проведения общих работ по техническому обслуживанию.
В начале 1950-х годов Лайл Борст из Университета Юты получил финансирование от различных железнодорожных линий и производителей США для изучения возможности создания электровоза, в котором бортовой атомный реактор производил пар для выработки электроэнергии. В то время атомная энергетика не была полностью понята; Борст считал, что главным камнем преткновения была цена урана. В атомном локомотиве Борста центральная секция будет иметь 200-тонную реакторную камеру и стальные стены толщиной 5 футов для предотвращения выбросов радиоактивности в случае аварий. Он оценил стоимость производства атомных локомотивов с двигателями мощностью 7000 л. с. примерно в 1 200 000 долларов каждый. [45] Следовательно, поезда с бортовыми атомными генераторами, как правило, считались нецелесообразными из-за непомерно высоких затрат.
В 2002 году в Валь-д'Оре , Квебек , был продемонстрирован первый 3,6-тонный, 17-киловаттный локомотив для горнодобывающей промышленности, работающий на водороде (топливных элементах). В 2007 году в Гаосюне , Тайвань , был введен в эксплуатацию образовательный мини-гидравлический поезд . Наконец, Railpower GG20B — еще один пример локомотива на топливных элементах и электричестве.
Существует множество различных типов гибридных или двухрежимных локомотивов, использующих два или более типов движущей силы. Наиболее распространенными гибридами являются электродизельные локомотивы, работающие либо от электросети, либо от бортового дизельного двигателя . Они используются для обеспечения непрерывных поездок по маршрутам, которые электрифицированы лишь частично. Примерами являются EMD FL9 и Bombardier ALP-45DP
Локомотивы в железнодорожном транспорте используются в трех основных целях : для перевозки пассажирских поездов, грузовых поездов и для маневровых работ (в Великобритании — для выполнения маневровых работ).
Грузовые локомотивы обычно проектируются для обеспечения высокого стартового тягового усилия и высокой постоянной мощности. Это позволяет им запускать и перемещать длинные, тяжелые поезда, но обычно это достигается за счет относительно низкой максимальной скорости. Пассажирские локомотивы обычно развивают меньшее стартовое тяговое усилие, но способны работать на высоких скоростях, необходимых для поддержания пассажирских расписаний. Локомотивы смешанного сообщения (американский английский: general purpose или road switcher locomotives), предназначенные как для пассажирских, так и для грузовых поездов, не развивают такого большого стартового тягового усилия, как грузовой локомотив, но способны тянуть более тяжелые поезда, чем пассажирский локомотив.
Большинство паровозов имеют поршневые двигатели, в которых поршни соединены с ведущими колесами посредством шатунов, без промежуточной коробки передач. Это означает, что сочетание тягового усилия при запуске и максимальной скорости в значительной степени зависит от диаметра ведущих колес. Паровозы, предназначенные для грузовых перевозок, как правило, имеют ведущие колеса меньшего диаметра, чем пассажирские локомотивы.
В дизель-электрических и электрических локомотивах система управления между тяговыми двигателями и осями адаптирует выходную мощность к рельсам для грузовых или пассажирских перевозок. Пассажирские локомотивы могут включать в себя другие функции, такие как головная мощность (также называемая гостиничным питанием или электропоездным питанием) или парогенератор .
Некоторые локомотивы специально спроектированы для работы на крутых склонах и оснащены обширными дополнительными тормозными механизмами, а иногда и реечным механизмом. Паровозы, построенные для крутых реечных механизмов, часто имеют котел, наклоненный относительно рамы локомотива , так что котел остается примерно ровным на крутых склонах.
Локомотивы также используются в некоторых высокоскоростных поездах. Некоторые из них работают в составе push-pull с прицепными вагонами управления на другом конце поезда, которые часто имеют кабину с такой же конструкцией, как кабина локомотива; примерами таких поездов с обычными локомотивами являются Railjet и Intercity 225 .
Также многие высокоскоростные поезда, включая все TGV , многие Talgo (250/350/Avril/XXI), некоторые Korea Train Express , ICE 1 / ICE 2 и Intercity 125 , используют выделенные силовые вагоны , которые не имеют мест для пассажиров и технически являются специальными односторонними локомотивами. Отличие от обычных локомотивов заключается в том, что эти силовые вагоны являются неотъемлемой частью поезда и не приспособлены для работы с какими-либо другими типами пассажирских вагонов. С другой стороны, многие высокоскоростные поезда, такие как сеть Shinkansen , никогда не используют локомотивы. Вместо локомотивоподобных силовых вагонов они используют электропоезда (EMU) или дизель-поезда (DMU) — пассажирские вагоны, которые также имеют тяговые двигатели и силовое оборудование. Использование выделенных локомотивоподобных силовых вагонов обеспечивает высокое качество езды и меньшее количество электрооборудования; [46] но у EMU меньшая нагрузка на ось, что снижает затраты на техническое обслуживание, а также у EMU более высокое ускорение и большая вместимость. [46] Кроме того, некоторые поезда, включая TGV PSE , TGV TMST и TGV V150 , используют как непассажирские моторные вагоны, так и дополнительные пассажирские моторные вагоны.
Локомотивы иногда выполняют определенную функцию, например:
Колесная формула локомотива описывает, сколько у него колес; распространенные методы включают колесную формулу AAR , классификацию UIC и систему обозначений Уайта .
Во второй половине двадцатого века на маневровых операциях начали использоваться локомотивы с дистанционным управлением , которые дистанционно управлялись оператором вне кабины локомотива. Главное преимущество заключается в том, что один оператор может контролировать загрузку зерна, угля, гравия и т. д. в вагоны. Кроме того, этот же оператор может перемещать поезд по мере необходимости. Таким образом, локомотив загружается или разгружается примерно за треть времени. [ необходима цитата ]
Город в Южном Уэльсе начал месяцы празднований в честь 200-летия изобретения паровоза. Мертир-Тидвил был местом, где 21 февраля 1804 г. Ричард Тревитик перенес мир в эпоху железных дорог, когда он установил один из своих паровых двигателей высокого давления на трамвайные рельсы местного железного мастера
Эвиан-ле-Бен кандо.
Медиа, связанные с Локомотивы на Wikimedia Commons
