.jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Тепловоз — тип железнодорожного локомотива , в котором источником энергии является дизельный двигатель . Было разработано несколько типов тепловозов, различающихся в основном способом передачи механической энергии на ведущие колеса . Наиболее распространенными являются тепловозы с электроприводом и дизель-гидравлические.
Ранние локомотивы внутреннего сгорания и дрезины использовали в качестве топлива керосин и бензин . Рудольф Дизель запатентовал свой первый двигатель с воспламенением от сжатия [2] в 1898 году, и постоянные усовершенствования конструкции дизельных двигателей уменьшили их физические размеры и улучшили соотношение мощности к весу до такой степени, что их можно было установить на локомотив. Двигатели внутреннего сгорания работают эффективно только в ограниченном диапазоне мощности , и в то время как маломощные бензиновые двигатели могли быть соединены с механическими трансмиссиями , более мощные дизельные двигатели требовали разработки новых форм трансмиссии. [3] [4] [5] [6] [7] Это связано с тем, что сцепления должны были быть очень большими при таких уровнях мощности и не помещались бы в стандартную раму локомотива шириной 2,5 м (8 футов 2 дюйма) или изнашивались бы 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) эксплуатировалось в Соединенных Штатах. В 1930 году компания Armstrong Whitworth из Великобритании поставила два локомотива мощностью 1200 л. с. (890 кВт) с двигателями, разработанными Sulzer , на Большую южную железную дорогу Буэнос-Айреса в Аргентине. В 1933 году дизель-электрическая технология, разработанная Maybach, использовалась для приведения в движение DRG Class SVT 877 , высокоскоростного междугороднего двухвагонного состава, и пошла в серийное производство с другими обтекаемыми вагонными составами в Германии, начиная с 1935 года. В Соединенных Штатах дизель-электрическая тяга была внедрена на высокоскоростные магистральные пассажирские перевозки в конце 1934 года, в основном благодаря научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам General Motors, начатым в конце 1920-х годов, и достижениям в области проектирования легких кузовов вагонов компанией Budd Company .
Экономическое восстановление после Второй мировой войны ускорило широкое внедрение дизельных локомотивов во многих странах. Они предлагали большую гибкость и производительность, чем паровозы , а также существенно меньшие эксплуатационные и эксплуатационные расходы. [8]
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 « масляный двигатель Пристмана, установленный на тележке, которая работала на временной линии рельсов, чтобы показать адаптацию нефтяного двигателя для локомотивных целей». [9] [10] В 1894 году двухосная машина мощностью 20 л. с. (15 кВт), построенная братьями Пристман, использовалась в доках Халла . [11] [12] В 1896 году для Королевского арсенала в Вулидже , Англия, был построен железнодорожный локомотив с масляным двигателем , использующий двигатель, разработанный Гербертом Экройдом Стюартом . [13] Это был не дизель, поскольку он использовал двигатель с горячей лампой (также известный как полудизель), но он был предшественником дизеля.
Рудольф Дизель рассматривал возможность использования своего двигателя для питания локомотивов в своей книге 1893 года Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren ( Теория и конструкция рационального теплового двигателя ). [14] Однако большой размер и плохое соотношение мощности и веса ранних дизельных двигателей делали их непригодными для приведения в движение наземных транспортных средств. Поэтому потенциал двигателя в качестве железнодорожного первичного тягача изначально не был признан. [15] Это изменилось, поскольку исследования и разработки уменьшили размер и вес двигателя.
В 1906 году Рудольф Дизель, Адольф Клозе и производитель паровых и дизельных двигателей Gebrüder Sulzer основали Diesel-Sulzer-Klose GmbH для производства дизельных локомотивов. Sulzer производила дизельные двигатели с 1898 года. Прусские государственные железные дороги заказали у компании тепловоз в 1909 году, и после тестовых пробегов между Винтертуром и Романсхорном , Швейцария, дизель-механический локомотив был доставлен в Берлин в сентябре 1912 года. Первый в мире дизельный локомотив был запущен летом 1912 года на той же линии из Винтертура, но не имел коммерческого успеха. [16] Во время тестовых пробегов в 1913 году было обнаружено несколько проблем. Начало Первой мировой войны в 1914 году помешало всем дальнейшим испытаниям. Вес локомотива составлял 95 тонн, мощность — 883 кВт (1184 л. с.) при максимальной скорости 100 км/ч (62 мили в час). [17]
Небольшое количество прототипов тепловозов было произведено в ряде стран до середины 1920-х годов.
Одним из первых дизельных транспортных средств, разработанных в Китае, был Dongfeng DMU (东风), выпущенный в 1958 году компанией CSR Sifang . Серийное производство первого китайского дизельного локомотива класса DFH1 началось в 1964 году после постройки прототипа в 1959 году.
В Японии, начиная с 1920-х годов, производилось несколько дизель-электрических вагонов. Первыми дизель-электрическими тяговыми и первыми воздушными транспортными средствами на японских рельсах были два DMU3 класса Kiha 43000 (キハ43000系). [18] Первой серией японских тепловозов был класс DD50 (国鉄DD50形), сдвоенные локомотивы, разработанные с 1950 года и находящиеся в эксплуатации с 1953 года. [19]
В 1914 году первые в мире функциональные дизель-электрические вагоны были произведены для Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen ( Королевские Саксонские государственные железные дороги ) компанией Waggonfabrik Rastatt с электрооборудованием от Brown, Boveri & Cie и дизельными двигателями от Swiss Sulzer AG . Они были классифицированы как DET 1 и DET 2 ( de.wiki [de] ). Из-за нехватки нефтепродуктов во время Первой мировой войны они остались неиспользованными для регулярных перевозок в Германии. В 1922 году они были проданы швейцарской компании Compagnie du Chemin de fer Régional du Val-de-Travers , где они использовались для регулярных перевозок вплоть до электрификации линии в 1944 году. После этого компания продолжала использовать их в качестве усилителей до 1965 года.
Fiat утверждает, что построил первый итальянский дизель-электрический локомотив в 1922 году, но подробностей мало. Несколько дизель-локомотивов Fiat- TIBB Bo'Bo' были построены для работы на 950 мм ( 3 фута 1+3 ⁄ 8 дюйма) узкоколейной железной дороги Ferrovie Calabro Lucane иSocietà per le Strade Ferrate del Mediterranoна юге Италии в 1926 году после испытаний в 1924–25 годах.[20]Шестицилиндровый двухтактный двигатель выдавал 440 лошадиных сил (330 кВт) при 500 об/мин, приводя в действие четыре двигателя постоянного тока, по одному на каждую ось. Эти 44-тонные (43 длинных тонны; 49 коротких тонн) локомотивы с максимальной скоростью 45 км/ч (28 миль/ч) оказались весьма успешными.[21]
В 1924 году на советских железных дорогах почти одновременно были приняты в эксплуатацию два тепловоза с электроприводом :
.jpg/1280px-Teplovoz_Eel2_(2).jpg)
В 1935 году Krauss-Maffei , MAN и Voith построили первый дизель-гидравлический локомотив, названный V 140, в Германии. Дизель-гидравлика стала основной в тепловозостроении в Германии, поскольку Немецкие железные дороги (DRG) были довольны работой этого двигателя. Серийное производство тепловозов в Германии началось после Второй мировой войны.
На многих железнодорожных станциях и в промышленных комплексах паровые маневровые локомотивы приходилось поддерживать в горячем состоянии во время многочисленных перерывов между разрозненными короткими задачами. Поэтому тепловозная тяга стала экономичной для маневровых работ прежде, чем для перевозки поездов. Строительство дизельных маневровых локомотивов 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 или «масляные» моторные вагоны, как правило, дизель-механические, были разработаны различными европейскими производителями в 1930-х годах, например, William Beardmore and Company для Канадских национальных железных дорог ( двигатель Beardmore Tornado впоследствии использовался в дирижабле R101 ). Некоторые из этих серий для региональных перевозок были начаты с бензиновыми двигателями, а затем продолжены дизельными двигателями, например, венгерский BC mot (код класса не говорит ничего, кроме «рельсовый мотор с сиденьями 2-го и 3-го класса»), 128 вагонов, построенных в 1926–1937 годах, или немецкие рельсовые автобусы Wismar (57 вагонов, 1932–1941 годы). Во Франции первым дизельным моторным вагоном был Renault VH , 115 единиц, выпущенных в 1933/34 годах. В Италии после выпуска шести бензиновых автомобилей с 1931 года компании Fiat и Breda построили множество дизельных локомотивов, более 110 с 1933 по 1938 год и 390 с 1940 по 1953 год, класс 772, известный как Littorina , и класс ALn 900.
В 1930-х годах в нескольких странах были разработаны обтекаемые высокоскоростные дизельные вагоны:
В 1945 году из США на железные дороги Советского Союза была поставлена партия из 30 дизель-электровозов «Болдуин» модели 0-6-6-0 1000 .
В 1947 году компания London, Midland and Scottish Railway (LMS) представила первый из пары дизель-электрических локомотивов Co-Co мощностью 1600 л. с. (1200 кВт) (позже British Rail Class D16/1 ) для регулярного использования в Соединенном Королевстве, хотя британские производители, такие как Armstrong Whitworth, экспортировали дизельные локомотивы с 1930 года. Поставки флота других конструкций, таких как Class 20 и Class 31, на British Railways начались в 1957 году.
Серийное производство тепловозов в Италии началось в середине 1950-х годов. В целом, тепловозная тяга в Италии имела меньшее значение, чем в других странах, поскольку она была одной из самых передовых стран в электрификации основных линий, а география Италии делала грузовые перевозки по морю дешевле, чем по железной дороге, даже на многих внутренних маршрутах.
Адольфус Буш приобрел американские права на производство дизельного двигателя в 1898 году, но так и не применил эту новую форму энергии для транспорта. Он основал компанию Busch-Sulzer в 1911 году. В начале двадцатого века был достигнут лишь ограниченный успех с железнодорожными вагонами с двигателем внутреннего сгорания, что отчасти объяснялось трудностями с механическими системами привода. [23]
Компания General Electric (GE) вышла на рынок железнодорожных вагонов в начале двадцатого века, когда Томас Эдисон получил патент на электровоз, его конструкция фактически представляла собой тип электрического вагона. [24] GE построила свой первый прототип электровоза в 1895 году. Однако высокие затраты на электрификацию заставили GE обратить внимание на двигатели внутреннего сгорания для обеспечения электроэнергией электрических вагонов. Сразу же возникли проблемы, связанные с координацией работы первичного двигателя и электродвигателя , в первую очередь из-за ограничений выбранной системы управления током Уорда Леонарда . [ необходима цитата ] Компания GE Rail была образована в 1907 году и 112 лет спустя, в 2019 году, была куплена и объединена 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 Лемпом. [25] Конструкция Лемпа решила проблему перегрузки и повреждения тяговых двигателей чрезмерной электрической мощностью на низких скоростях и стала прототипом для всех систем управления двигателем внутреннего сгорания и электроприводом.
В 1917–1918 годах GE выпустила три экспериментальных дизель-электрических локомотива с использованием конструкции управления Лемпа, которые, как известно, были построены в Соединенных Штатах. [26] После этого события Закон Кауфмана 1923 года запретил паровозы в Нью-Йорке из-за серьезных проблем с загрязнением. Ответом на этот закон стала электрификация железнодорожных линий с интенсивным движением. Однако электрификация была неэкономичной для применения в районах с низким движением.
Первое регулярное использование дизель-электрических локомотивов было в маневровых (переключательных) приложениях, которые были более снисходительны, чем магистральные приложения к ограничениям современной дизельной технологии, и где экономичность холостого хода дизеля по сравнению с паром была бы наиболее выгодной. GE вступила в сотрудничество с American Locomotive Company (ALCO) и Ingersoll-Rand (консорциум "AGEIR") в 1924 году для производства прототипа локомотива "boxcab" мощностью 300 л. с. (220 кВт), поставленного в июле 1925 года. Этот локомотив продемонстрировал, что дизель-электрический силовой агрегат может обеспечить многие из преимуществ электровоза без необходимости для железной дороги нести значительные расходы на электрификацию. [27] Агрегат успешно продемонстрировал себя в переключении и местных грузовых и пассажирских перевозках на десяти железных дорогах и трех промышленных линиях. [28] Westinghouse Electric и Baldwin сотрудничали в производстве маневровых локомотивов, начиная с 1929 года. Однако Великая депрессия сократила спрос на электрооборудование Westinghouse, и они прекратили производство локомотивов собственными силами, решив вместо этого поставлять электрические детали. [29]
В июне 1925 года Baldwin Locomotive Works выпустила прототип дизель-электрического локомотива для «специальных целей» (например, для поездок, где вода для паровозов была дефицитом), используя электрооборудование от Westinghouse Electric Company . [30] Его двухмоторная конструкция не оказалась успешной, и агрегат был списан после короткого периода испытаний и демонстрации. [31] Источники в отрасли начали предполагать «выдающиеся преимущества этой новой формы движущей силы». [32] В 1929 году Канадские национальные железные дороги стали первой североамериканской железной дорогой, которая использовала дизели на магистральных линиях с двумя единицами, 9000 и 9001, от Westinghouse. [33] Однако эти ранние дизели оказались дорогими и ненадежными, с их высокой стоимостью приобретения по сравнению с паром, не позволяющей реализовать экономию эксплуатационных расходов, поскольку они часто выходили из строя. Прошло еще пять лет, прежде чем дизель-электрическая тяга была успешно использована на магистральных линиях, и почти десять лет, прежде чем полная замена пара стала реальной перспективой с существующей дизельной технологией.
Прежде чем дизельная энергетика смогла проникнуть в магистральные перевозки, необходимо было преодолеть ограничения дизельных двигателей около 1930 года — низкое отношение мощности к весу и узкий диапазон выходной мощности. Основные усилия по преодолению этих ограничений были предприняты General Motors после того, как они вышли на рынок дизельных двигателей, приобретя в 1930 году Winton Engine Company , крупного производителя дизельных двигателей для морских и стационарных применений. При поддержке исследовательского подразделения General Motors, Winton Engine Corporation GM стремилась разработать дизельные двигатели, подходящие для высокоскоростного мобильного использования. Первой вехой в этих усилиях стала поставка в начале 1934 года Winton 201A, двухтактного , механически наддувного , продуваемого по потоку , дизельного двигателя с впрыском , который мог обеспечить требуемую производительность для быстрого и легкого пассажирского поезда. Вторым важным событием, которое заставило американские железные дороги перейти на дизельное топливо, стала поставка в 1938 году двигателя GM Model 567 , разработанного специально для использования в локомотивах. Он увеличил срок службы некоторых механических деталей в пять раз и продемонстрировал его потенциал для работы в тяжелых условиях грузовых перевозок. [34]
Дизель-электрическая железнодорожная локомотивная связь вошла в эксплуатацию на основных линиях, когда Burlington Route и Union Pacific начали использовать изготовленные на заказ дизельные « обтекаемые поезда » для перевозки пассажиров, начиная с конца 1934 года. [23] [35] Поезда Zephyr компании Burlington эволюционировали от сочлененных трехвагонных поездов с силовыми вагонами мощностью 600 л. с. в 1934 и начале 1935 года до полусочлененных десятивагонных поездов Denver Zephyr , тянущихся силовыми агрегатами с усилителем кабины, представленными в конце 1936 года. Union Pacific начала обслуживание дизельных обтекаемых поездов между Чикаго и Портлендом, штат Орегон, в июне 1935 года, а в следующем году добавила Лос-Анджелес, Калифорния , Окленд, Калифорния , и Денвер, Колорадо, к пунктам назначения дизельных обтекаемых поездов из Чикаго. Поезда Burlington и Union Pacific streamliners были построены компаниями Budd Company и Pullman-Standard Company , соответственно, с использованием новых двигателей Winton и систем силовой передачи, разработанных корпорацией GM Electro-Motive Corporation . Экспериментальные локомотивы BB мощностью 1800 л. с. от EMC 1935 года продемонстрировали многосекционные системы управления, используемые для комплектов кабина/усилитель, и двухмоторный формат, используемый с более поздними силовыми агрегатами Zephyr . Обе эти особенности будут использоваться в более поздних моделях локомотивов производства EMC. Легкие дизельные streamliners середины 1930-х годов продемонстрировали преимущества дизельного топлива для пассажирских перевозок с прорывными сроками выполнения рейсов, но мощность дизельных локомотивов не достигла полной зрелости, пока не началось регулярное серийное производство магистральных дизельных локомотивов, и не было доказано, что они подходят для полноразмерных пассажирских и грузовых перевозок.
После своего прототипа 1925 года консорциум AGEIR произвел еще 25 единиц локомотивов AGEIR с кабиной мощностью 300 л. с. (220 кВт) «60 тонн» в период с 1925 по 1928 год для нескольких железных дорог Нью-Йорка, что сделало их первыми серийно выпускаемыми дизельными локомотивами. [36] Консорциум также произвел семь двухмоторных локомотивов с кабиной «100 тонн» и один гибридный троллейбус/аккумулятор с зарядной схемой, работающей на дизельном топливе. В 1929 году компания ALCO приобрела компанию McIntosh & Seymour Engine Company и в 1931 году начала серийное производство однокабинных маневровых локомотивов мощностью 300 л. с. (220 кВт) и 600 л. с. (450 кВт). Компания ALCO оставалась ведущим производителем маневровых локомотивов вплоть до середины 1930-х годов и адаптировала базовую конструкцию маневрового локомотива для производства универсальных и весьма успешных, хотя и относительно маломощных, дорожных локомотивов.
GM, видя успех кастомных обтекаемых локомотивов, стремилась расширить рынок дизельной энергии, производя стандартизированные локомотивы под своей корпорацией Electro-Motive . В 1936 году новый завод EMC начал производство двигателей переключения. В 1937 году завод начал производство своих новых обтекаемых пассажирских локомотивов серии E , которые в 1938 году были модернизированы более надежными специально изготовленными двигателями. Видя производительность и надежность нового двигателя модели 567 в пассажирских локомотивах, EMC стремилась продемонстрировать жизнеспособность дизеля в грузовых перевозках.
После успешного тура 1939 года демонстрационного грузового локомотива EMC FT была подготовлена почва для дизелизации американских железных дорог. В 1941 году ALCO-GE представила стрелочный локомотив RS-1 , который занял свою собственную рыночную нишу, в то время как локомотивы серии F компании EMD были востребованы для магистральных грузовых перевозок. Вступление США во Вторую мировую войну замедлило переход на дизельное топливо; Совет по военному производству остановил производство нового пассажирского оборудования и отдал приоритет производству дизельных двигателей для военно-морских нужд. Во время нефтяного кризиса 1942–43 годов угольный пар имел преимущество в том, что не использовал топливо, которого было в критически дефиците. Позднее EMD разрешили увеличить производство своих локомотивов FT, а ALCO-GE разрешили производить ограниченное количество дорожных локомотивов DL-109 , но большинство в локомотивном бизнесе были ограничены производством стрелочных двигателей и паровозов.
В раннюю послевоенную эпоху EMD доминировала на рынке магистральных локомотивов со своими локомотивами серий E и F. В конце 1940-х годов ALCO-GE производила маневровые и стрелочные локомотивы, которые были успешны на рынке ближних перевозок. Однако в 1949 году EMD выпустила свои стрелочные локомотивы 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 стала основным конкурентом EMD в начале 1960-х годов, в конечном итоге заняв лидирующую позицию на рынке локомотивов у EMD.
Ранние дизель-электрические локомотивы в Соединенных Штатах использовали тяговые двигатели постоянного тока (DC), но в 1990-х годах широкое распространение получили двигатели переменного тока (AC), начиная с Electro-Motive SD70MAC в 1993 году, а затем AC4400CW компании General Electric в 1994 году и AC6000CW в 1995 году. [37]
Трансавстралийская железная дорога, построенная в 1912-1917 годах компанией Commonwealth Railways (CR), проходит через 2000 км безводной (или соленой) пустынной местности, непригодной для паровозов. Первоначальный инженер Генри Дин предполагал, что дизельная эксплуатация поможет преодолеть такие проблемы. [38] Некоторые предполагают, что CR работала с South Australian Railways для испытания дизельной тяги. [39] Однако технология не была достаточно развита, чтобы быть надежной.
Как и в Европе, использование двигателей внутреннего сгорания быстрее развивалось в самоходных железнодорожных вагонах, чем в локомотивах:
Дизель-механический локомотив использует механическую трансмиссию , подобную той, которая используется в большинстве дорожных транспортных средств. Этот тип трансмиссии обычно ограничивается маломощными, тихоходными маневровыми (переключающими) локомотивами, легкими моторвагонными составами и самоходными дрезинами .
Механические трансмиссии, используемые для железнодорожного движения, как правило, более сложны и намного более надежны, чем стандартные дорожные версии. Обычно между двигателем и коробкой передач устанавливается гидромуфта , а коробка передач часто бывает планетарного типа, чтобы обеспечить переключение под нагрузкой. Были разработаны различные системы для минимизации перерыва в трансмиссии во время переключения передач, например, коробка передач SSS (синхронизированная самопереключающаяся), используемая Хадсвеллом Кларком .
Дизель-механическая тяга ограничена трудностью создания трансмиссии разумного размера, способной справиться с мощностью и крутящим моментом, необходимыми для перемещения тяжелого поезда. Было предпринято несколько попыток использовать дизель-механическую тягу в приложениях большой мощности (например, локомотив British Rail 10100 мощностью 1500 кВт (2000 л. с.), хотя лишь немногие из них оказались успешными (например, локомотив DSB Class MF мощностью 1342 кВт (1800 л. с.) ).
.jpg/1280px-%D0%A2%D0%AD%D0%9F80-0002,_%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%8F,_%D0%A2%D0%B2%D0%B5%D1%80%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%B1%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%8C,_%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D0%9A%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D0%BD_(Trainpix_208953).jpg)
В дизель-электрическом локомотиве дизельный двигатель приводит в действие либо электрический генератор постоянного тока (обычно менее 3000 л. с. (2200 кВт) чистой мощности для тяги), либо электрический генератор переменного тока-выпрямитель (обычно 3000 л. с. чистой мощности или более для тяги), выход которого обеспечивает питание тяговых двигателей , которые приводят в движение локомотив. Между дизельным двигателем и колесами нет механической связи.
Важными компонентами дизель-электрической тяги 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 электрических или электронных компонентов, включая распределительные устройства , выпрямители и другие компоненты, которые управляют или изменяют электропитание тяговых двигателей. В самом элементарном случае генератор может быть напрямую подключен к двигателям с помощью только очень простого распределительного устройства.
Первоначально тяговые двигатели и генератор были машинами постоянного тока . После разработки высокомощных кремниевых выпрямителей в 1960-х годах генератор постоянного тока был заменен генератором переменного тока, использующим диодный мост для преобразования его выходного тока в постоянный ток. Это достижение значительно повысило надежность локомотива и снизило расходы на техническое обслуживание генератора за счет устранения коммутатора и щеток в генераторе. Устранение щеток и коммутатора, в свою очередь, исключило возможность особо разрушительного типа события, называемого искровым перекрытием (также известного как дуговое замыкание ), которое могло привести к немедленному отказу генератора и, в некоторых случаях, к возгоранию в машинном отделении.
Текущая североамериканская практика предполагает четыре оси для высокоскоростных пассажирских или «временных» грузовых перевозок или шесть осей для низкоскоростных или «манифестных» грузовых перевозок. Самые современные единицы на «временных» грузовых перевозках, как правило, имеют шесть осей под рамой. В отличие от единиц на «манифестных» грузовых перевозках, единицы «временных» грузовых перевозок будут иметь только четыре оси, соединенные с тяговыми двигателями, а две другие будут холостыми осями для распределения веса.
В конце 1980-х годов разработка высокомощных приводов переменного напряжения/частоты (VVVF), или «тяговых инверторов», позволила использовать многофазные тяговые двигатели переменного тока, тем самым устранив коллектор двигателя и щетки. Результатом стал более эффективный и надежный привод, требующий относительно небольшого обслуживания и лучше справляющийся с перегрузками, которые часто разрушали старые типы двигателей.
Выходная мощность дизель-электрического локомотива не зависит от скорости движения, пока не превышены пределы тока и напряжения генератора агрегата. Таким образом, способность агрегата развивать тяговое усилие (также называемое тяговым усилием или тяговой силой , которая фактически приводит в движение поезд) будет иметь тенденцию к обратному изменению 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 появлению сложных систем управления на современных агрегатах.
Выходная мощность первичного двигателя в первую очередь определяется его скоростью вращения ( RPM ) и расходом топлива, которые регулируются регулятором или аналогичным механизмом. Регулятор предназначен для реагирования как на настройку дроссельной заслонки, определяемую водителем двигателя, так и на скорость, с которой работает первичный двигатель (см. Теория управления ).
Выходная мощность локомотива, а следовательно, и скорость, обычно контролируется машинистом двигателя с помощью ступенчатого или «зубчатого» дросселя , который выдает двоичные электрические сигналы, соответствующие положению дросселя. Эта базовая конструкция хорошо подходит для работы с несколькими единицами (MU), создавая дискретные условия, которые гарантируют, что все единицы в составе реагируют одинаково на положение дросселя. Двоичное кодирование также помогает минимизировать количество поездных линий (электрических соединений), необходимых для передачи сигналов от единицы к единице. Например, для кодирования всех возможных положений дросселя, если имеется до 14 ступеней дросселирования, требуется всего четыре поездных линии.
Североамериканские локомотивы, такие как те, что построены EMD или General Electric , имеют восемь положений дроссельной заслонки или «выемок», а также «реверс», позволяющий им работать в двух направлениях. Многие локомотивы, построенные в Великобритании, имеют десятипозиционную дроссельную заслонку. Положения мощности часто называются локомотивными бригадами в зависимости от настройки дроссельной заслонки, например, «run 3» или «notch 3».
В старых локомотивах механизм дроссельной заслонки был храповым , так что было невозможно переместить более одной позиции мощности за раз. Например, машинист не мог перевести дроссельную заслонку из положения 2 в положение 4, не остановившись в положении 3. Эта функция была предназначена для предотвращения грубого управления поездом из-за резкого увеличения мощности, вызванного быстрым движением дроссельной заслонки («зачистка дроссельной заслонки», нарушение правил эксплуатации на многих железных дорогах). Современные локомотивы больше не имеют этого ограничения, поскольку их системы управления способны плавно модулировать мощность и избегать резких изменений в загрузке поезда независимо от того, как машинист управляет органами управления.
Когда дроссель находится в положении холостого хода, первичный двигатель получает минимальное количество топлива, заставляя его работать на холостом ходу на низких оборотах. Кроме того, тяговые двигатели не подключены к главному генератору, а обмотки возбуждения генератора не возбуждаются (не запитаны) — генератор не вырабатывает электричество без возбуждения. Поэтому локомотив будет находиться в «нейтральном» положении. Концептуально это то же самое, что переводить трансмиссию автомобиля в нейтральное положение при работающем двигателе.
Чтобы привести локомотив в движение, рукоятка управления реверсом устанавливается в правильное положение (вперед или назад), тормоз отпускается, а дроссельная заслонка перемещается в положение запуска 1 (первая ступень мощности). Опытный машинист может выполнить эти шаги скоординированно, что приведет к почти незаметному старту. Позиционирование реверса и перемещение дроссельной заслонки вместе концептуально похожи на переключение автоматической коробки передач автомобиля на передачу, когда двигатель работает на холостом ходу.
Перевод дросселя в положение первой мощности приведет к подключению тяговых двигателей к главному генератору и возбуждению его катушек возбуждения. При возбуждении главный генератор будет подавать электроэнергию на тяговые двигатели, что приведет к движению. Если локомотив движется «налегке» (то есть не сцеплен с остальной частью поезда) и не находится на подъеме, он легко разгонится. С другой стороны, если запускается длинный поезд, локомотив может заглохнуть, как только будет выбрана некоторая слабина, поскольку сопротивление, оказываемое поездом, превысит развиваемую тяговую силу. Опытный машинист сможет распознать начинающуюся задержку и постепенно увеличит дроссель, как это необходимо для поддержания темпа ускорения.
По мере того, как дроссель перемещается на более высокие уровни мощности, расход топлива на первичный двигатель увеличивается, что приводит к соответствующему увеличению оборотов в минуту и выходной мощности. В то же время возбуждение поля главного генератора будет пропорционально увеличено для поглощения более высокой мощности. Это приведет к увеличению электрической мощности тяговых двигателей с соответствующим увеличением тяговой силы. В конечном итоге, 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.
Система привода рассчитана на создание максимального крутящего момента тягового двигателя при запуске, что объясняет, почему современные локомотивы способны запускать поезда весом более 15 000 тонн даже на подъемах. Современные технологии позволяют локомотиву развивать до 30% от веса нагруженного машиниста в тяговой силе, что составляет 120 000 фунтов силы (530 кН) тяговой силы для большой шестиосной грузовой (товарной) единицы. Фактически, состав из таких единиц может создать более чем достаточное тяговое усилие при запуске, чтобы повредить или сойти с рельсов вагоны (если они на кривой) или сломать сцепки (последнее на североамериканском железнодорожном сленге называется «дергать легкое»). Поэтому машинисту двигателя необходимо тщательно контролировать количество мощности, применяемой при запуске, чтобы избежать повреждений. В частности, «дергание легкого» могло бы стать катастрофой, если бы это произошло на подъеме, если бы безопасность, заложенная в правильной работе безотказных автоматических тормозов поездов, установленных сегодня в вагонах, не позволяла бы поездам сойти с рельсов, автоматически применяя тормоза вагонов при падении давления воздуха в магистрали.
Система управления локомотивом спроектирована таким образом, чтобы выходная электрическая мощность основного генератора соответствовала любой заданной скорости двигателя. Учитывая внутренние характеристики тяговых двигателей, а также способ, которым двигатели подключены к основному генератору, генератор будет вырабатывать высокий ток и низкое напряжение на низких скоростях локомотива, постепенно переходя к низкому току и высокому напряжению по мере ускорения локомотива. Таким образом, чистая мощность, вырабатываемая локомотивом, останется 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: требуемая скорость двигателя, определяемая настройкой дроссельной заслонки водителя двигателя, и фактическая скорость двигателя ( обратная связь ). Регулятор имеет два внешних выхода управления: настройка топливной форсунки , которая определяет расход топлива двигателем, и положение регулятора тока, которое влияет на возбуждение главного генератора. Регулятор также включает в себя отдельный механизм защиты от превышения скорости, который немедленно отключит подачу топлива к форсункам и подаст звуковой сигнал в кабине в случае, если первичный двигатель превысит заданное число оборотов в минуту. Не все эти входы и выходы обязательно являются электрическими.
При изменении нагрузки на двигатель его скорость вращения также изменится. Это обнаруживается регулятором по изменению сигнала обратной связи скорости двигателя. Чистый эффект заключается в регулировке как расхода топлива, так и положения регулятора нагрузки таким образом, чтобы обороты двигателя и крутящий момент (и, следовательно, выходная мощность) оставались постоянными для любой заданной настройки дроссельной заслонки, независимо от фактической скорости движения.
В более новых конструкциях, управляемых «тяговым компьютером», каждому шагу скорости двигателя назначается соответствующая выходная мощность или «опорный кВт» в программном обеспечении. Компьютер сравнивает это значение с фактической выходной мощностью основного генератора или «обратной связью кВт», рассчитанной на основе тока тягового двигателя и значений обратной связи по напряжению основного генератора. Компьютер корректирует значение обратной связи в соответствии с опорным значением, управляя возбуждением основного генератора, как описано выше. Регулятор по-прежнему контролирует скорость двигателя, но регулятор нагрузки больше не играет центральной роли в этом типе системы управления. Однако регулятор нагрузки сохраняется в качестве «резервного» на случай перегрузки двигателя. Современные локомотивы, оснащенные электронным впрыском топлива (EFI), могут не иметь механического регулятора; однако «виртуальный» регулятор нагрузки и регулятор сохраняются с компьютерными модулями.
Производительность тягового двигателя регулируется либо путем изменения выходного напряжения постоянного тока главного 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 изменяющимся условиям эксплуатации.
В состоянии покоя выходной сигнал основного генератора изначально имеет низкое напряжение/высокий ток, часто превышающий 1000 ампер на двигатель при полной мощности. Когда локомотив находится в состоянии или близком к состоянию покоя, ток будет ограничен только сопротивлением постоянного тока обмоток двигателя и соединительных цепей, а также мощностью самого основного генератора. Крутящий момент в последовательном двигателе приблизительно пропорционален квадрату тока. Следовательно, тяговые двигатели будут создавать свой самый высокий крутящий момент, заставляя локомотив развивать максимальное тяговое усилие , позволяя ему преодолевать инерцию поезда. Этот эффект аналогичен тому, что происходит в автоматической трансмиссии автомобиля при запуске, где она находится на первой передаче и тем самым производит максимальное умножение крутящего момента.
По мере ускорения локомотива вращающиеся теперь якоря двигателей начнут генерировать противоэлектродвижущую силу (обратную ЭДС, то есть двигатели также пытаются действовать как генераторы), которая будет противодействовать выходу основного генератора и приводить к уменьшению тока тягового двигателя. Напряжение основного генератора соответственно увеличится в попытке сохранить мощность двигателя, но в конечном итоге достигнет плато. В этот момент локомотив по сути прекратит ускоряться, если только не на спуске. Поскольку это плато обычно достигается на скорости, существенно меньшей максимальной, которая может быть желаемой, необходимо что-то сделать, чтобы изменить характеристики привода, чтобы обеспечить непрерывное ускорение. Это изменение называется «переходом», процесс, аналогичный переключению передач в автомобиле.
Методы перехода включают в себя:
Оба метода можно также комбинировать для увеличения диапазона рабочих скоростей.
В старых локомотивах машинисту приходилось вручную выполнять переход с помощью отдельного органа управления. В качестве вспомогательного средства для выполнения перехода в нужное время измеритель нагрузки (индикатор, показывающий машинисту, какой ток потребляют тяговые двигатели) был откалиброван, чтобы указывать, 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 оснащены тяговыми инверторами , преобразующими переменный ток в постоянный, способными выдавать 1200 вольт (раньше тяговые генераторы , преобразующие постоянный ток в постоянный, могли выдавать только 600 вольт). Это улучшение было достигнуто в основном за счет усовершенствований в технологии кремниевых диодов. С возможностью выдавать 1200 вольт на тяговые двигатели необходимость в «переходе» отпала.
Распространенной опцией на дизель-электрических локомотивах является динамическое (реостатное) торможение .
Динамическое торможение использует тот факт, что якоря тягового двигателя всегда вращаются, когда локомотив находится в движении, и что двигатель может работать как генератор , отдельно возбуждая обмотку возбуждения. При использовании динамического торможения схемы управления тягой настраиваются следующим образом:
Совокупный эффект вышеизложенного заключается в том, что каждый тяговый двигатель вырабатывает электроэнергию и рассеивает ее в виде тепла в динамической тормозной сетке. Вентилятор, подключенный поперек сетки, обеспечивает принудительное воздушное охлаждение. Следовательно, вентилятор питается от выходной мощности тяговых двигателей и будет стремиться работать быстрее и производить больше воздушного потока по мере того, как больше энергии подается в сетку.
В конечном итоге источником энергии, рассеиваемой в динамической тормозной сетке, является движение локомотива, передаваемое якорям тяговых двигателей. Таким образом, тяговые двигатели создают сопротивление, а локомотив действует как тормоз. По мере снижения скорости тормозной эффект ослабевает и обычно становится неэффективным 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 существует опасность выхода из-под контроля из-за перегрева фрикционных тормозов во время спуска. В таких случаях динамические тормоза обычно применяются в сочетании с воздушными тормозами , комбинированный эффект называется смешанным торможением . Использование смешанного торможения также может помочь сохранить слабину в длинном поезде, растянутом по мере того, как он преодолевает подъем, помогая предотвратить «наезд», резкое скопление слабины поезда, которое может привести к сходу с рельсов. Смешанное торможение также обычно используется в пригородных поездах для снижения износа механических тормозов, что является естественным результатом многочисленных остановок, которые такие поезда обычно делают во время движения.
Эти специальные локомотивы могут работать как электровоз или как тепловоз. Long Island Rail Road , Metro-North Railroad и New Jersey Transit Rail Operations используют двухрежимные дизель-электрические/третий рельс ( контактная сеть на NJTransit) локомотивы между неэлектрифицированной территорией и Нью-Йорком из-за местного закона, запрещающего дизельные локомотивы в туннелях Манхэттена . По той же причине Amtrak использует парк двухрежимных локомотивов в районе Нью-Йорка. British Rail эксплуатировала двухрежимные дизель-электрические/электрические локомотивы, предназначенные для работы в основном в качестве электровозов с пониженной мощностью при работе на дизельном топливе. Это позволило железнодорожным станциям оставаться неэлектрифицированными, поскольку система третьего рельса чрезвычайно опасна в зоне станции.
Дизель-гидравлические локомотивы используют один или несколько преобразователей крутящего момента в сочетании с передачами с фиксированным передаточным отношением. Приводные валы и шестерни образуют конечный привод для передачи мощности от преобразователей крутящего момента к колесам и для осуществления реверса. Разница между гидравлическими и механическими системами заключается в том, где регулируется скорость и крутящий момент. В механической системе трансмиссии, которая имеет несколько передаточных отношений, например, в коробке передач, если есть гидравлическая секция, она нужна только для того, чтобы двигатель работал, когда поезд движется слишком медленно или остановился. В гидравлической системе гидравлика является основной системой для адаптации скорости двигателя и крутящего момента к ситуации в поезде, с выбором передачи только для ограниченного использования, например, для заднего хода.
Системы гидравлического привода, использующие гидростатическую систему гидравлического привода, были применены для использования на железной дороге. Современные примеры включают маневровые локомотивы мощностью от 350 до 750 л. с. (от 260 до 560 кВт) компании Cockerill (Бельгия), [43] узкоколейные промышленные локомотивы грузоподъемностью от 4 до 12 тонн, мощностью от 35 до 58 кВт (от 47 до 78 л. с.) компании Atlas Copco, дочерней компании GIA. [44] Гидростатические приводы также используются в машинах для обслуживания железных дорог (трамбовки, рельсошлифовальные машины). [45]
Применение гидростатических трансмиссий обычно ограничивается небольшими маневровыми локомотивами и оборудованием для обслуживания рельсов, а также используется в нетяговых приложениях в дизельных двигателях, таких как приводы вентиляторов тяговых двигателей. [ необходима ссылка ]
Гидрокинетическая трансмиссия (также называемая гидродинамической трансмиссией) использует гидротрансформатор . Гидротрансформатор состоит из трех основных частей, две из которых вращаются, и одна ( статор ), которая имеет замок, предотвращающий обратное вращение и добавляющий выходной крутящий момент путем перенаправления потока масла при низких выходных оборотах в минуту. Все три основные части запечатаны в маслонаполненном корпусе. Чтобы согласовать скорость двигателя со скоростью нагрузки во всем диапазоне скоростей локомотива, требуется дополнительный метод для обеспечения достаточного диапазона. Один из методов заключается в том, чтобы после гидротрансформатора установить механическую коробку передач, которая автоматически переключает передаточные числа, подобно автоматической коробке передач в автомобиле. Другой метод заключается в том, чтобы снабдить несколько гидротрансформаторов, каждый из которых имеет диапазон изменчивости, охватывающий часть необходимого общего объема; все гидротрансформаторы все время механически соединены, и подходящий для требуемого диапазона скоростей выбирается путем заполнения его маслом и слива других. Заполнение и слив осуществляются при трансмиссии под нагрузкой, что приводит к очень плавному изменению диапазона без разрыва передаваемой мощности.
В то время как в большинстве стран мира предпочтение отдавалось дизель-электрическим (ДЭ) локомотивам, несколько стран перешли на дизель-гидравлические (ДГ) локомотивы, в первую очередь Германия, Финляндия и Япония, а также на какое-то время Великобритания.
Причин для этого было несколько, две из наиболее примечательных заключались в том, что, хотя большинство локомотивов DH достигали примерно той же эффективности трансмиссии, что и DE, около ~85% (за исключением некоторых ранних британских конструкций), они в то же время могли быть построены заметно легче для той же общей выходной мощности. Это было так, поскольку гидравлические трансмиссии не весили так много, как комбинация генератора(ов) и нескольких электротяговых двигателей, необходимых для DE.
Вторым заметным преимуществом локомотивов DH, которое сохранялось до внедрения современных систем управления тягой, было повышенное сцепление/тяга на единицу веса. Обычно на локомотиве DE каждая приводная ось на тележке имеет свой собственный отдельный тяговый двигатель без связи между осями, и, таким образом, существует вероятность того, что если одно колесо потеряет сцепление и проскальзывает, это приведет к тому, что ось будет вращаться быстрее независимо от других, что приведет к значительной потере общей тяги. В отличие от этого, на локомотиве DH все оси на каждой тележке соединены вместе через спаренные приводные валы, и, таким образом, ни одна отдельная ось не может начать вращаться быстрее сама по себе, если ее колеса попадут на скользкое место, что значительно помогает с тягой. До внедрения эффективных систем управления тягой это техническое различие само по себе могло способствовать увеличению коэффициента сцепления на 15–33% для дизель-гидравлического локомотива по сравнению с дизель-электрическим.
Эти два преимущества были одними из главных причин, по которым в 1960-х годах три крупнейшие американские железнодорожные компании, включая Southern Pacific, изначально проявили большой интерес к конструкциям дизель-гидравлических локомотивов, что в конечном итоге привело к заказу и покупке нескольких западногерманских локомотивов ML4000 DH, построенных специально для США фирмой Krauss Maffei. Проблемы с надежностью этих машин во время высотных операций с SP в США, а также появление отечественных дизельных двигателей схожих уровней мощности в сочетании с промышленностью, более подходящей для поддержки дизель-электрических силовых агрегатов, однако, привели к тому, что в конечном итоге интерес к дизель-гидравлике в США угас.
Однако в Германии и Финляндии дизель-гидравлические системы достигли очень высокой надежности в эксплуатации, аналогичной или даже лучшей, чем у DE, что в сочетании с вышеупомянутыми техническими преимуществами DH помогло сделать его наиболее популярным типом тепловоза в этих странах на долгое время. Между тем в Великобритании дизель-гидравлический принцип приобрел более неоднозначную репутацию.
К XXI веку в большинстве стран мира для тепловозной тяги использовались дизель-электрические конструкции, а дизель-гидравлические конструкции не нашли применения за пределами Германии, Финляндии и Японии, а также некоторых соседних государств, где они использовались в конструкциях для грузовых перевозок.
Дизель-гидравлические локомотивы имеют меньшую долю рынка, чем дизель-электрические — основным мировым потребителем магистральных гидравлических трансмиссий была Федеративная Республика Германия с проектами, включая DB class V 200 1950-х годов и семейство DB Class V 160 1960-х и 1970-х годов . British Rail представила ряд дизель-гидравлических конструкций во время своего Плана модернизации 1955 года , изначально лицензионные версии немецких конструкций (см. Категория: Дизель-гидравлические локомотивы Великобритании ). В Испании Renfe использовала двухмоторные немецкие конструкции с высоким отношением мощности к весу для перевозки высокоскоростных поездов с 1960-х по 1990-е годы. (См. Renfe Classes 340 , 350 , 352 , 353 , 354 )
Другие магистральные локомотивы послевоенного периода включали экспериментальные локомотивы GMD GMDH-1 1950-х годов; Henschel & Son построила South African Class 61-000 ; в 1960-х Southern Pacific купила 18 дизель-гидравлических локомотивов Krauss-Maffei KM ML-4000 . Denver & Rio Grande Western Railroad также купила три, все из которых позже были проданы SP. [47]
В Финляндии более 200 дизель-гидравлических локомотивов VR класса Dv12 и Dr14 финского производства с трансмиссиями Voith непрерывно эксплуатируются с начала 1960-х годов. Все единицы класса Dr14 и большинство единиц класса Dv12 все еще находятся в эксплуатации. VR отказалась от некоторых плохо кондиционированных единиц серии 2700 Dv12. [48]
В XXI веке серийно выпускаемые дизель-гидравлические конструкции стандартной колеи включают Voith Gravita , заказанную Deutsche Bahn , а также конструкции Vossloh G2000 BB , G1206 и G1700 , все изготавливаемые в Германии для грузовых перевозок.
Дизель-гидравлический привод широко распространен в нескольких агрегатах, при этом используются различные конструкции трансмиссии, включая гидротрансформаторы Voith и гидромуфты в сочетании с механической передачей.
Большинство пассажирских дизель-поездов второго поколения British Rail использовали гидравлическую трансмиссию. В 21 веке конструкции, использующие гидравлическую трансмиссию, включают семейства Turbostar , Talent , RegioSwinger от Bombardier ; дизельные версии платформы Siemens Desiro и Stadler Regio-Shuttle .
Гибридные пародизельные локомотивы могут использовать пар, вырабатываемый котлом или дизелем, для питания поршневого двигателя. Система сжатого пара Cristiani использовала дизельный двигатель для питания компрессора, который приводил в действие и рециркулировал пар, вырабатываемый котлом; эффективно используя пар в качестве среды передачи энергии, при этом дизельный двигатель был первичным двигателем [49]
Дизель-пневматический локомотив представлял интерес в 1930-х годах, поскольку он предлагал возможность переоборудования существующих паровозов для работы на дизельном топливе. Рама и цилиндры паровоза были сохранены, а котел был заменен дизельным двигателем, приводящим в действие воздушный компрессор . Проблема заключалась в низкой тепловой эффективности из-за большого количества энергии, теряемой в виде тепла в воздушном компрессоре. Были предприняты попытки компенсировать это путем использования выхлопных газов дизельного двигателя для повторного нагрева сжатого воздуха, но они имели ограниченный успех. Немецкое предложение 1929 года привело к созданию прототипа [50] , но аналогичное британское предложение 1932 года об использовании локомотива LNER класса R1 так и не вышло за рамки стадии проектирования.
Большинство тепловозов способны работать в составе нескольких единиц (MU) как средство увеличения мощности и тягового усилия при перевозке тяжелых поездов. Все североамериканские локомотивы, включая экспортные модели, используют стандартизированную электрическую систему управления AAR , соединенную между собой 27-контактным кабелем MU между единицами. Для локомотивов, построенных в Великобритании, используется ряд несовместимых систем управления, но наиболее распространенной является система Blue Star, которая является электропневматической и устанавливается на большинство ранних классов дизельных двигателей. Небольшое количество типов, как правило, более мощных локомотивов, предназначенных только для пассажирских перевозок, не имеют нескольких систем управления. Во всех случаях электрические соединения управления, общие для всех единиц в составе, называются поездными магистралями. В результате все локомотивы в составе ведут себя как один в ответ на движения управления машиниста.
Возможность соединения дизель-электрических локомотивов по принципу MU была впервые реализована в EMC EA/EB 1937 года. Электрические соединения были выполнены таким образом, чтобы один машинист мог управлять всем составом с головного поста.
В горных районах обычно в середине поезда размещают вспомогательные локомотивы , как для обеспечения дополнительной мощности, необходимой для подъема на уклон, так и для ограничения нагрузки на поглощающий аппарат вагона, соединенного с головной частью электропитания. Вспомогательные блоки в таких конфигурациях с распределенной мощностью управляются из кабины ведущего блока с помощью кодированных радиосигналов. Хотя технически это не конфигурация MU, поведение такое же, как и в случае с физически связанными блоками.
Расположение кабин различается в зависимости от производителя и оператора. В США традиционно кабина располагалась на одном конце локомотива с ограниченной видимостью, если локомотив не эксплуатируется кабиной вперед. Обычно это не проблема, так как американские локомотивы обычно эксплуатируются парами или тройками и располагаются так, чтобы кабина находилась на каждом конце каждого состава. В Европе обычно кабина располагалась на каждом конце локомотива, так как поезда обычно достаточно легкие, чтобы работать с одним локомотивом. Ранняя практика в США заключалась в добавлении силовых агрегатов без кабин (бустерных или B-агрегатов ), и расположение часто было AB, AA, ABA, ABB или ABBA, где A был агрегатом с кабиной. Центральные кабины иногда использовались для маневровых локомотивов.
_Cow_and_Calf_at_Riverside_Yard,_Baltimore_(22341847029).jpg/1280px-Baltimore_and_Ohio_9624_(TR4)_Cow_and_Calf_at_Riverside_Yard,_Baltimore_(22341847029).jpg)
На североамериканских железных дорогах корова-теленок — это пара локомотивов маневрового типа: один (корова) оборудован кабиной водителя, другой (теленок) без кабины и управляется от коровы через кабели. Коровья-теленок используются в тяжелых маневровых и сортировочных работах. Некоторые из них управляются по радио без присутствия инженера-оператора в кабине. Такая компоновка также известна как ведущий-ведомый . В случаях, когда присутствовали два соединенных блока, EMD называла их TR-2 (приблизительно 2000 л. с. или 1500 кВт); в случаях, когда три блока, TR-3 (приблизительно 3000 л. с. или 2200 кВт).
Коровы и телята практически исчезли, поскольку эти комбинации двигателей уже много лет назад исчерпали свой ресурс.
Современная североамериканская практика заключается в объединении двух 3000- сильных тягачей GP40-2 или SD40-2 , часто почти изношенных и очень скоро готовых к восстановлению или сдаче на слом, и использовании их для так называемых «перегрузочных» целей, для которых изначально предназначались двигатели TR-2, TR-3 и TR-4, отсюда и обозначение TR, что означает «перегрузочный».
Иногда второй блок может иметь свой первичный двигатель и тяговый генератор, удаленные и замененные бетонным или стальным балластом, а мощность для тяги, полученная от главного блока. Поскольку 16-цилиндровый первичный двигатель обычно весит в диапазоне 36 000 фунтов (16 000 кг), а тяговый генератор мощностью 3000 л. с. обычно весит в диапазоне 18 000 фунтов (8 200 кг), это будет означать, что для балласта потребуется 54 000 фунтов (24 000 кг).
Пара полностью работоспособных агрегатов «Dash 2» будет иметь мощность 6000 л. с. (4500 кВт). Пара «Dash 2», где только один имеет первичный двигатель/генератор, будет иметь мощность 3000 л. с., при этом вся мощность обеспечивается ведущим, но комбинация выигрывает от тягового усилия, обеспечиваемого ведомым, поскольку двигатели при передаче редко используются для обеспечения мощности 3000 л . с., не говоря уже о 6000 л. с. на постоянной основе.
Стандартный дизельный локомотив представляет очень низкий риск возгорания, но «огнестойкость» может снизить риск еще больше. Это включает установку заполненного водой ящика на выхлопной трубе для гашения любых раскаленных частиц углерода, которые могут выбрасываться. Другие меры предосторожности могут включать полностью изолированную электрическую систему (ни одна из сторон не заземлена на раму) и всю электропроводку, заключенную в кабелепровод.
Взрывобезопасный тепловоз заменил беспожарный паровоз в зонах с высоким риском возгорания, таких как нефтеперерабатывающие заводы и склады боеприпасов . Сохранившиеся примеры взрывобезопасных тепловозов включают:
Последняя разработка «Новой системы сухого типа очистки выхлопных газов, применяемой в огнестойких дизельных транспортных средствах» не нуждается в подаче воды. [52]
.jpg/1280px-Canadian_National_diesels_southbound_on_the_Norfolk_Southern_near_Polaris_Mall_in_Columbus,_Ohio_(2092116881).jpg)
Огни, устанавливаемые на тепловозах, различаются в зависимости от страны. Североамериканские локомотивы оснащены двумя фарами (для безопасности в случае неисправности одной из них) и парой фар для канавы. Последние устанавливаются низко спереди и предназначены для того, чтобы локомотив был хорошо заметен при приближении к переезду . Более старые локомотивы могут быть оснащены Gyralite или Mars Light вместо фар для канавы.
Хотя тепловозы, как правило, выбрасывают меньше диоксида серы, основного загрязнителя окружающей среды, и парниковых газов, чем паровозы, они все равно выбрасывают большие объемы. [53] Кроме того, как и другие дизельные транспортные средства, они выбрасывают оксиды азота и мелкие частицы , которые представляют риск для здоровья населения. Фактически, в этом последнем отношении тепловозы могут работать хуже, чем паровозы.
В течение многих лет американские правительственные ученые, измеряющие загрязнение воздуха , считали , что двигатели дизельных локомотивов относительно чисты и выбрасывают гораздо меньше опасных для здоровья выбросов, чем двигатели дизельных грузовиков или других транспортных средств; однако ученые обнаружили, что из-за того, что они использовали неверные оценки количества топлива, потребляемого дизельными локомотивами, они сильно занижали количество ежегодного загрязнения. После пересмотра своих расчетов они пришли к выводу, что ежегодные выбросы оксида азота, основного ингредиента смога и кислотных дождей , и сажи к 2030 году будут почти вдвое больше, чем они первоначально предполагали. [54] [55] В Европе, где большинство крупных железных дорог были электрифицированы, опасений меньше.
Это означало бы, что в США дизельные локомотивы будут выбрасывать более 800 000 тонн оксида азота и 25 000 тонн сажи каждый год в течение четверти века, в отличие от предыдущих прогнозов Агентства по охране окружающей среды в 480 000 тонн диоксида азота и 12 000 тонн сажи. С тех пор, как это было обнаружено, для уменьшения воздействия дизельных локомотивов на людей (которые вдыхают вредные выбросы), а также на растения и животных, считается целесообразным устанавливать ловушки в дизельных двигателях для снижения уровня загрязнения [56] и другие методы контроля загрязнения (например, использование биодизеля ).
Загрязнение дизельными локомотивами вызывает особую озабоченность в городе Чикаго . Chicago Tribune сообщила об уровнях дизельной сажи внутри локомотивов, покидающих Чикаго, в сотни раз превышающих уровень, обычно встречающийся на улицах за их пределами. [57] Жители нескольких районов, скорее всего, подвергаются воздействию дизельных выбросов на уровнях, в несколько раз превышающих средний национальный показатель для городских районов. [58]
В 2008 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) ввело правила, требующие, чтобы все новые или отремонтированные дизельные локомотивы соответствовали стандартам загрязнения Tier II , которые сокращают количество допустимой сажи на 90% и требуют сокращения выбросов оксидов азота на 80% . См. Список локомотивов с низким уровнем выбросов .
Другие технологии, которые внедряются для снижения выбросов дизельных локомотивов и расхода топлива, включают переключающиеся локомотивы «Genset» и гибридные конструкции Green Goat . Генераторные локомотивы используют несколько небольших высокоскоростных дизельных двигателей и генераторов (генераторные установки), а не один среднескоростной дизельный двигатель и один генератор. [59] Из-за стоимости разработки чистых двигателей эти небольшие высокоскоростные двигатели основаны на уже разработанных двигателях грузовиков. Green Goats — это тип гибридного переключающегося локомотива, использующего небольшой дизельный двигатель и большой блок перезаряжаемых батарей. [60] [61] Переключающиеся локомотивы вызывают особую озабоченность, поскольку они, как правило, работают на ограниченной территории, часто в городских центрах или вблизи них, и проводят большую часть времени вхолостую. Обе конструкции снижают загрязнение ниже стандартов EPA Tier II и сокращают или устраняют выбросы во время простоя.
По мере развития тепловозов стоимость их производства и эксплуатации снижалась, и они становились дешевле в владении и эксплуатации, чем паровозы. В Северной Америке паровозы изготавливались на заказ для конкретных железнодорожных маршрутов, поэтому экономии за счет масштаба было трудно достичь. [62] Хотя их было сложнее производить с жесткими производственными допусками ( 1 ⁄ 10000 дюйма или 0,0025 миллиметра для дизеля по сравнению с 1 ⁄ 100 дюйма (0,25 мм) для пара), детали тепловозов было легче производить массово. Baldwin Locomotive Works предлагала почти 500 моделей паровых локомотивов в период своего расцвета, в то время как EMD предлагала менее десяти разновидностей дизельных локомотивов. [63] В Соединенном Королевстве British Railways строила паровозы по стандартным проектам с 1951 года. Они включали стандартные взаимозаменяемые детали, что делало их производство более дешевым, чем доступные тогда тепловозы. Капитальные затраты на лошадиную силу тягловой силы составили 13 фунтов 6 шиллингов (паровая), 65 фунтов 7 шиллингов (турбинная) и 17 фунтов 13 шиллингов (электрическая). [64]
Тепловозы предлагают значительные эксплуатационные преимущества по сравнению с паровозами. [65] Ими может безопасно управлять один человек, что делает их идеальными для переключения/маневрирования на станциях (хотя по соображениям безопасности многие магистральные тепловозы продолжают иметь бригады из двух человек: машиниста и кондуктора/стрелочника), а рабочая среда намного привлекательнее, будучи тише, полностью защищенными от непогоды и без грязи и жары, которые являются неизбежной частью эксплуатации паровоза. Тепловозы могут работать в составе нескольких человек с одной бригадой, управляющей несколькими локомотивами в одном поезде, что непрактично для паровозов. Это принесло большую эффективность оператору, поскольку отдельные локомотивы могли быть относительно маломощными для использования в качестве единого блока на легких работах, но выстраивались 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 двухколейному управлению с несколькими локомотивами и бригадами, метод, который также был дорогим и влек за собой свои собственные эксплуатационные трудности.
Дизельные двигатели можно запускать и останавливать практически мгновенно, что означает, что тепловоз может не нести никаких расходов на топливо, когда он не используется. Однако на крупных североамериканских железных дорогах по-прежнему практикуется использование чистой воды в качестве охлаждающей жидкости в дизельных двигателях вместо охлаждающих жидкостей, которые обладают антифризными свойствами; это приводит к тому, что тепловозы остаются на холостом ходу при стоянке в холодном климате вместо того, чтобы быть полностью выключенными. Дизельный двигатель можно оставлять 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 в случае возникновения таких проблем, как потеря давления масла или потеря охлаждающей жидкости. Доступны автоматические системы запуска/остановки, которые контролируют температуру охлаждающей жидкости и двигателя. Когда охлаждающая жидкость агрегата близка к замерзанию, система перезапускает дизельный двигатель, чтобы прогреть охлаждающую жидкость и другие системы. [66]
Паровозы требуют интенсивного обслуживания, смазки и очистки до, во время и после использования. Подготовка и запуск паровоза для использования из холода может занять много часов. Их можно поддерживать в готовности между использованиями при слабом огне, но это требует регулярной подпитки и частого внимания для поддержания уровня воды в котле. Это может быть необходимо для предотвращения замерзания воды в котле в холодном климате, при условии, что водоснабжение не замерзло. После использования паровоз требует длительной операции по утилизации для выполнения очистки, осмотра, обслуживания и заправки водой и топливом, прежде чем он будет готов к следующему заданию. Напротив, еще в 1939 году EMD продвигала свой локомотив серии FT как не требующий обслуживания между 30-дневными осмотрами, за исключением заправки и основных проверок уровня жидкости и безопасности, которые можно было выполнять при работающем первичном двигателе. Железные дороги, перешедшие с паровой на дизельную тягу в 1940-х и 1950-х годах, обнаружили, что в течение определенного периода времени тепловозы были доступны в среднем в три-четыре раза больше часов приносящей доход эксплуатации, чем эквивалентные паровозы, что позволило существенно сократить парк локомотивов, сохранив при этом эксплуатационную мощность. [ необходима ссылка ]
Расходы на техническое обслуживание и эксплуатацию паровозов были намного выше, чем у дизелей. Ежегодные расходы на техническое обслуживание паровозов составляли 25% от первоначальной закупочной цены. Запасные части отливались из деревянных мастер-моделей для конкретных локомотивов. Огромное количество уникальных паровозов означало, что не было возможности поддерживать запасы запасных частей. [67] В случае с тепловозами запасные части могли производиться массово и храниться на складе, готовыми к использованию, а многие детали и подузлы могли быть стандартизированы по всему парку оператора, используя различные модели локомотивов одного и того же производителя. Современные двигатели тепловозов спроектированы так, чтобы можно было заменять силовые узлы (системы рабочих частей и их интерфейсы блоков), сохраняя при этом основной блок в локомотиве, что значительно сокращает время, в течение которого локомотив не используется для получения дохода, когда он требует обслуживания. [34]
Паровые двигатели требовали большого количества угля и воды, что было дорогостоящими переменными эксплуатационными расходами. [68] Кроме того, тепловой КПД пара был значительно ниже, чем у дизельных двигателей. Теоретические исследования Дизеля продемонстрировали потенциальный тепловой КПД для двигателя с воспламенением от сжатия в 36% (по сравнению с 6–10% для пара), а одноцилиндровый прототип 1897 года работал с замечательной эффективностью в 26%. [69]
Однако одно исследование, опубликованное в 1959 году, показало, что многие сравнения между дизельными и паровыми локомотивами были сделаны несправедливо, в основном потому, что дизели были более новой технологией. После кропотливого анализа финансовых отчетов и технологического прогресса автор обнаружил, что если бы исследования продолжались по паровой технологии вместо дизельной, то была бы незначительная финансовая выгода от перехода на дизельную локомотивность. [70]
К середине 1960-х годов тепловозы эффективно заменили паровозы там, где электрическая тяга не использовалась. [68] Попытки разработать передовые паровые технологии продолжаются и в 21 веке, но не дали существенного эффекта.
Небольшой двухцилиндровый двигатель был установлен на тележке, которая работала на временной линии рельсов, чтобы продемонстрировать адаптацию бензинового двигателя для локомотивных целей на трамвайных путях.
_1.jpg/1280px-SAR_Class_61-000_61-006_(D750)_1.jpg)
{{citation}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )В каком-то смысле управление дока было первым пользователем локомотива с масляным двигателем, поскольку именно в доках Халла Северо-Восточной железной дороги локомотив Пристмана проработал в течение короткого периода в 1894 году.
{{citation}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )У дизеля довольно долгая история, и первый из них был запущен еще в 1894 году. Это был крошечный 30-сильный двухосный локомотив стандартной колеи с двухцилиндровым двигателем, разработанный Уильямом Дентом Пристманом.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )