.jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Тепловоз — вид железнодорожного локомотива , в котором источником энергии является дизельный двигатель . Разработано несколько типов тепловозов, различающихся главным образом способами передачи механической мощности на ведущие колеса . Наиболее распространены дизель-электрические локомотивы и дизель-гидравлические.
Первые локомотивы внутреннего сгорания и железнодорожные вагоны использовали в качестве топлива керосин и бензин . Рудольф Дизель запатентовал свой первый двигатель с воспламенением от сжатия [2] в 1898 году, а постоянные улучшения конструкции дизельных двигателей уменьшили их физические размеры и улучшили соотношение мощности и веса до такой степени, что их можно было установить в локомотиве. Двигатели внутреннего сгорания эффективно работают только в ограниченном диапазоне мощности , и хотя бензиновые двигатели малой мощности можно было соединять с механическими трансмиссиями , более мощные дизельные двигатели требовали разработки новых форм трансмиссии. [3] [4] [5] [6] [7] Это связано с тем, что при таких уровнях мощности муфты должны быть очень большими и не помещаются в стандартную раму локомотива шириной 2,5 м (8 футов 2 дюйма), или будет изнашиваться слишком быстро, чтобы быть полезным.
В первых успешных дизельных двигателях использовались дизель-электрические трансмиссии , и к 1925 году в США находилось в эксплуатации небольшое количество тепловозов мощностью 600 л.с. (450 кВт). В 1930 году Армстронг Уитворт из Соединенного Королевства поставил два локомотива мощностью 1200 л.с. (890 кВт) с двигателями, разработанными Sulzer , на Великую южную железную дорогу Буэнос-Айреса в Аргентине. В 1933 году дизель-электрическая технология, разработанная Maybach , была использована для приведения в движение DRG Class SVT 877 , высокоскоростного междугороднего двухвагонного агрегата, и с 1935 года пошла в серийное производство вместе с другими модернизированными автокомплектами в Германии. В Соединенных Штатах Дизель-электрическая силовая установка была внедрена в высокоскоростные магистральные пассажирские перевозки в конце 1934 года, в основном благодаря научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам General Motors, начиная с конца 1920-х годов, и достижениям компании Budd в области конструкции легких кузовов автомобилей .
Восстановление экономики после Второй мировой войны ускорило широкое внедрение тепловозов во многих странах. Они предлагали большую гибкость и производительность, чем паровозы , а также существенно более низкие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. [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 грузовике». который работает на временной железнодорожной линии, чтобы показать приспособление бензинового двигателя для локомотивов». [9] [10] В 1894 году двухосная машина мощностью 20 л.с. (15 кВт), построенная компанией Priestman Brothers , использовалась в доках Халла . [11] [12] В 1896 году для Королевского арсенала в Вулидже , Англия, был построен железнодорожный локомотив с масляным двигателем, с использованием двигателя, разработанного Гербертом Акройдом Стюартом . [13] Это не был дизель, поскольку в нем использовался двигатель с горячей лампой (также известный как полудизель), но он был предшественником дизеля.
Рудольф Дизель рассматривал возможность использования своего двигателя для привода локомотивов в своей книге 1893 года « Теория и конструкция рационального теплового двигателя» ( «Теория и конструкция рационального теплового двигателя »). [14] Однако большой размер и плохое соотношение мощности к весу первых дизельных двигателей делали их непригодными для движения наземных транспортных средств. Таким образом, потенциал двигателя как тягача на железных дорогах изначально не был осознан. [15] Ситуация изменилась, 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 компанию Diesel-Sulzer-Klose GmbH для производства дизельных локомотивов. Компания Sulzer производила дизельные двигатели с 1898 года. Прусские государственные железные дороги заказали у компании тепловоз в 1909 году, и после испытательных пробегов между Винтертуром и Романсхорном , Швейцария, дизель-механический локомотив был доставлен в Берлин в сентябре 1912 года. дизельный локомотив эксплуатировался летом 1912 года на той же линии, что и Винтертур, но не имел коммерческого успеха. [16] Во время тестовых запусков 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.), максимальная скорость - 100 км/ч (62 мили в час). [17]
До середины 1920-х годов в ряде стран производилось небольшое количество прототипов тепловозов.
Одним из первых дизельных автомобилей отечественной разработки в Китае был DMU Dongfeng (东风), произведенный в 1958 году компанией CSR Sifang . Серийное производство первого в Китае тепловоза класса DFH 1 началось в 1964 году после постройки прототипа в 1959 году.
В Японии, начиная с 1920-х годов, начали производить бензино-электрические вагоны. Первой дизель-электрической тягой и первыми воздушными транспортными средствами на японских железных дорогах стали два DMU3 класса Kiha 43000 (キハ43000系). [18] Первой серией тепловозов в Японии был класс DD50 (国鉄DD50形), сдвоенные локомотивы, разрабатываемые с 1950 года и находящиеся на вооружении 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 бензина во время Первой мировой войны они остались неиспользованными для регулярной службы в Германии. В 1922 году они были проданы швейцарской компании Compagnie du Chemin defer Régional du Val-de-Travers , где использовались в регулярной эксплуатации вплоть до электрификации линии в 1944 году. После этого компания сохраняла их в эксплуатации в качестве ускорителей до 1965 года. .
Фиат утверждает, что построил первый итальянский дизель-электрический локомотив в 1922 году, но подробностей мало. Несколько тепловозов Fiat- TIBB Bo'Bo' были построены для эксплуатации на 950-мм ( 3 фута 1 фута)+3 ⁄ 8 дюйма) узкоколейной 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 производил 440 лошадиных сил (330 кВт) при 500 об/мин и приводил в движение четыре двигателя постоянного тока, по одному на каждую ось. Эти 44-тонные (43 длинных тонны; 49 коротких тонн) локомотивы с максимальной скоростью 45 км/ч (28 миль в час) оказались весьма успешными.[21]
В 1924 году почти одновременно на вооружение советских железных дорог были приняты два дизель-электрических локомотива:
.jpg/1280px-Teplovoz_Eel2_(2).jpg)
В 1935 году компании Krauss-Maffei , MAN и Voith построили в Германии первый дизель-гидравлический локомотив V 140. Дизель-гидравлика стала основным направлением в тепловозах Германии, поскольку немецкие железные дороги (DRG) были довольны характеристиками этого двигателя. Серийное производство тепловозов в Германии началось после Второй мировой войны.
На многих железнодорожных станциях и промышленных объектах маневровые пароходы приходилось поддерживать в горячем состоянии во время многочисленных перерывов между разрозненными короткими заданиями. Таким образом, дизельная тяга стала экономичной для маневровых работ раньше, чем для буксировки поездов. Строительство маневровых дизельных двигателей началось в 1920 г. во Франции, в 1925 г. в Дании, в 1926 г. в Нидерландах, в 1927 г. в Германии. После нескольких лет испытаний за десятилетие были произведены сотни единиц.
Вагоны с дизельным или «масляным двигателем», как правило, дизель-механические, были разработаны различными европейскими производителями в 1930-х годах, например, компанией William Beardmore and Company для Канадских национальных железных дорог ( двигатель Beardmore Tornado впоследствии использовался в дирижабле R101 ). . Некоторые из этих серий для регионального движения были начаты с бензиновыми двигателями, а затем продолжены дизельными двигателями, например, венгерский BC mot (код класса не говорит ничего, кроме «мотороллер с сиденьями 2-го и 3-го классов»). В 1926 году построено 128 автомобилей. –1937 г., или немецкие рельсовые автобусы Wismar (57 вагонов 1932–1941 гг.). Во Франции первым дизельным вагоном стал Renault VH , в 1933/34 году выпущено 115 единиц. В Италии после шести бензиновых автомобилей с 1931 года Fiat и Breda построили много дизельных моторов, более 110 с 1933 по 1938 год и 390 с 1940 по 1953 год, класса 772 , известного как Littorina , и класса ALn 900.
В 1930-е годы в ряде стран были разработаны обтекаемые высокоскоростные дизельные вагоны:
В 1945 году партия из 30 дизель-электрических локомотивов Baldwin Baldwin 0-6-6-0 1000 была доставлена из США на железные дороги Советского Союза.
В 1947 году Лондон, Мидленд и Шотландская железная дорога (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 Армстронг Уитворт, экспортировали тепловозы с 1930 года. Поставки Британским железным дорогам других конструкций, таких как Класс 20 и Класс 31, начались в 1957 году.
Серийное производство тепловозов в Италии началось в середине 1950-х годов. В целом дизельная тяга в Италии имела меньшее значение, чем в других странах, поскольку она была одной из самых передовых стран в электрификации магистральных линий и поскольку итальянское географическое положение делает грузовые морские перевозки дешевле, чем железнодорожные, даже на многих внутренних маршрутах.
Адольф Буш приобрел в 1898 году права на производство дизельного двигателя в Америке, но так и не применил эту новую форму энергии на транспорте. Он основал компанию Busch-Sulzer в 1911 году. В начале двадцатого века с железнодорожными вагонами с двигателями внутреннего сгорания был достигнут лишь ограниченный успех, отчасти из-за трудностей с системами механического привода. [23]
General Electric (GE) вышла на рынок железнодорожных вагонов в начале двадцатого века, когда Томас Эдисон обладал патентом на электровоз, его конструкция фактически представляла собой тип вагона с электрическим приводом. [24] GE построила свой первый прототип электровоза в 1895 году. Однако высокие затраты на электрификацию заставили GE обратить внимание на энергию внутреннего сгорания для обеспечения электроэнергией электрических вагонов. Сразу же возникли проблемы, связанные с согласованием первичного двигателя и электродвигателя , в первую очередь из-за ограничений выбранной системы управления током Ward Leonard . [ нужна цитация ] GE Rail была основана 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 компании GE, разработал и запатентовал надежную систему управления, которая управляла двигателем и тяговым электродвигателем с помощью одного рычага; последующие улучшения также были запатентованы Лемпом. [25] Конструкция Лемпа решила проблему перегрузки и повреждения тяговых двигателей избыточной электрической мощностью на низких скоростях и стала прототипом для всех систем управления электроприводом внутреннего сгорания.
В 1917–1918 годах компания GE произвела три экспериментальных дизель-электрических локомотива с использованием конструкции управления Лемпа, первого из известных построенных в Соединенных Штатах. [26] После этого развития, Закон Кауфмана 1923 года запретил движение паровозов в Нью-Йорке из-за серьезных проблем с загрязнением окружающей среды. Ответом на этот закон стала электрификация железнодорожных линий с интенсивным движением транспорта. Однако электрификацию было нерентабельно применять в районах с меньшим движением транспорта.
Первое регулярное использование дизель-электрических локомотивов произошло в маневровых (шунтовых) приложениях, которые были более снисходительны к ограничениям современной дизельной технологии, чем магистральные, и где экономия дизельного топлива на холостом ходу по сравнению с паром была бы наиболее выгодной. В 1924 году GE вступила в сотрудничество с American Locomotive Company (ALCO) и Ingersoll-Rand (консорциум «AGEIR») для производства прототипа локомотива с коробчатой кабиной мощностью 300 л.с. (220 кВт), поставленного в июле 1925 года. Этот локомотив продемонстрировал, что дизельный – Электроэнергетическая установка могла бы обеспечить многие преимущества электровоза без необходимости железной дороги нести значительные расходы на электрификацию. [27] Подразделение успешно продемонстрировало переключение и местные грузовые и пассажирские перевозки на десяти железных дорогах и трех промышленных линиях. [28] Westinghouse Electric и Baldwin сотрудничали в создании переключаемых локомотивов, начиная с 1929 года. Однако Великая депрессия сократила спрос на электрооборудование Westinghouse, и они прекратили производство локомотивов внутри компании, решив вместо этого поставлять электрические детали. [29]
В июне 1925 года компания Baldwin Locomotive Works продала прототип дизель-электрического локомотива для «специального использования» (например, для рейсов, где воды для паровозов было недостаточно), используя электрическое оборудование от Westinghouse Electric Company . [30] Его двухмоторная конструкция не увенчалась успехом, и после короткого периода испытаний и демонстрации агрегат был списан. [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 агрегатами, 9000 и 9001, от Westinghouse. [33] Однако эти ранние дизели оказались дорогими и ненадежными, а их высокая стоимость приобретения по сравнению с паром не могла быть реализована в экономии эксплуатационных расходов, поскольку они часто выходили из строя. Пройдет еще пять лет, прежде чем дизель-электрические силовые установки будут успешно использоваться в магистральных сетях, и почти десять лет, прежде чем полная замена пара станет реальной перспективой при существующих дизельных технологиях.
Прежде чем дизельные двигатели смогли проникнуть в магистральные сети, необходимо было преодолеть ограничения дизельных двигателей примерно 1930 года – низкую удельную мощность и узкий диапазон мощности. Крупные усилия по преодолению этих ограничений были предприняты компанией General Motors после того, как они перешли в область дизельного топлива, приобретя в 1930 году Winton Engine Company , крупного производителя дизельных двигателей для морского и стационарного применения. При поддержке исследовательского подразделения General Motors. , Winton Engine Corporation компании GM стремилась разработать дизельные двигатели, подходящие для высокоскоростного мобильного использования. Первой вехой в этих усилиях стала поставка в начале 1934 года Winton 201A, двухтактного дизельного двигателя с механическим наддувом , однопоточной продувкой и насосным агрегатом , который мог обеспечить необходимую производительность для быстрого и легкого пассажирского поезда. Второй вехой, которая подтолкнула американские железные дороги к переходу на дизельное топливо, стала поставка в 1938 году двигателя GM Model 567 , который был разработан специально для использования в локомотивах, что привело к пятикратному увеличению срока службы некоторых механических деталей и продемонстрировало его потенциал для соответствия суровым условиям эксплуатации. грузовых услуг. [34]
Дизель-электрический железнодорожный локомотив вошел в состав магистральной линии, когда компании Burlington Route и Union Pacific начали использовать изготовленные по индивидуальному заказу дизельные « обтекаемые лайнеры » для перевозки пассажиров, начиная с конца 1934 года . в 1934 и начале 1935 года, до полусочлененных десятивагонных поездов Denver Zephyr , приводимых в движение силовыми установками с усилителем кабины, представленными в конце 1936 года. Union Pacific начала обслуживание дизельных модернизированных лайнеров между Чикаго и Портлендом, штат Орегон, в июне 1935 года, а в последующем - Год добавит Лос-Анджелес, Калифорния , Окленд, Калифорния , и Денвер, Колорадо, к пунктам назначения дизельных обтекаемых лайнеров из Чикаго. Обтекаемые самолеты Burlington и Union Pacific были построены компаниями Budd Company и Pullman-Standard Company соответственно с использованием новых двигателей Winton и систем силовой передачи, разработанных Electro-Motive Corporation GM . Экспериментальные локомотивы BB мощностью 1800 л.с. 1935 года от EMC продемонстрировали многоблочные системы управления, используемые для кабины и усилителей, а также двухмоторный формат, используемый с более поздними силовыми агрегатами Zephyr . Обе эти функции будут использоваться в локомотивах более поздних серийных моделей EMC. Легкие дизельные обтекаемые локомотивы середины 1930-х годов продемонстрировали преимущества дизельного топлива для пассажирских перевозок с рекордными графиками работы, но мощность тепловозов не достигла полной зрелости до тех пор, пока не началось регулярное серийное производство магистральных тепловозов и не было показано, что они подходят для полноразмерных тепловозов. пассажирские и грузовые перевозки.
Вслед за прототипом 1925 года консорциум AGEIR в период с 1925 по 1928 год произвел еще 25 единиц 60-тонных маневровых локомотивов AGEIR с крытой кабиной мощностью 300 л.с. (220 кВт) в период с 1925 по 1928 год для нескольких железных дорог Нью-Йорка, что сделало их первыми серийно выпускаемыми тепловозами. [36] Консорциум также произвел семь двухмоторных 100-тонных фургонов и одну гибридную троллейбусно-аккумуляторную установку с дизельной зарядной схемой. ALCO приобрела компанию McIntosh & Seymour Engine Company в 1929 году и в 1931 году начала серийное производство однокабинных переключателей мощностью 300 л.с. (220 кВт) и 600 л.с. (450 кВт). -1930-е годы и адаптировали базовую конструкцию переключателя для производства универсальных и весьма успешных, хотя и относительно маломощных, дорожных локомотивов.
GM, видя успех нестандартных обтекаемых локомотивов, стремилась расширить рынок дизельных двигателей, производя стандартизированные локомотивы под своей корпорацией Electro-Motive Corporation . В 1936 году новый завод EMC начал производство стрелочных двигателей. В 1937 году завод начал производство новых обтекаемых пассажирских локомотивов серии E , которые в 1938 году будут модернизированы более надежными специально созданными двигателями. Видя производительность и надежность нового двигателя модели 567 в пассажирских локомотивах, EMC стремилась продемонстрировать дизельные двигатели. жизнеспособность в сфере грузовых перевозок.
После успешного тура в 1939 году демонстрационного комплекта грузовых локомотивов EMC FT была подготовлена почва для дизелизации американских железных дорог. В 1941 году ALCO-GE представила стрелочный перевод RS-1 , который занял свою собственную рыночную нишу, в то время как локомотивы серии F компании EMD искались для магистральных грузовых перевозок. Вступление США во Вторую мировую войну замедлило переход на дизельное топливо; Совет военного производства приостановил производство новой пассажирской техники и отдал приоритет военно-морскому производству дизельных двигателей. Во время нефтяного кризиса 1942–1943 годов угольный пар имел то преимущество, что не использовал топливо, запасы которого были в критическом дефиците. Позже EMD было разрешено увеличить производство локомотивов FT, а ALCO-GE было разрешено производить ограниченное количество дорожных локомотивов DL-109 , но большая часть локомотивного бизнеса была ограничена производством стрелочных двигателей и паровозов.
В начале послевоенного периода компания EMD доминировала на рынке магистральных локомотивов со своими локомотивами серий E и F. В конце 1940-х годов компания ALCO-GE производила стрелочные переводы и стрелочные переводы, которые пользовались успехом на рынке ближнемагистральных перевозок. Однако в 1949 году EMD выпустила свои локомотивы с переключателями дорог серии GP , которые вытеснили все другие локомотивы на грузовом рынке, включая их собственные локомотивы серии F. Впоследствии GE расторгла партнерство с ALCO и в начале 1960-х годов стала основным конкурентом EMD, в конечном итоге заняв лидирующую позицию на рынке локомотивов у EMD.
Первые дизель-электрические локомотивы в США использовали тяговые двигатели постоянного тока (DC), но двигатели переменного тока (AC) получили широкое распространение в 1990-х годах, начиная с Electro -Motive SD70MAC в 1993 году, а затем AC4400CW от 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 залитой соленой водой) пустынной местности, непригодной для паровозов. Первоначальный инженер Генри Дин предусмотрел работу дизельного двигателя для решения таких проблем. [38] Некоторые предполагают, что CR работал с Южно-Австралийскими железными дорогами над испытанием дизельной тяги. [39] Однако технология не была достаточно развита, чтобы быть надежной.
Как и в Европе, использование двигателей внутреннего сгорания в самоходных вагонах развивалось быстрее, чем в локомотивах:
В дизель-механическом локомотиве используется механическая трансмиссия , аналогичная той, которая используется в большинстве дорожных транспортных средств. Этот тип трансмиссии обычно ограничивается маломощными, тихоходными маневровыми (маговыми) локомотивами, легкими моторвагонами и самоходными вагонами .
Механические трансмиссии, используемые для движения железных дорог, как правило, более сложны и гораздо более надежны, чем стандартные автомобильные версии. Обычно между двигателем и коробкой передач имеется гидромуфта , а коробка передач часто бывает эпициклического (планетарного) типа, позволяющая переключать передачи под нагрузкой. Были разработаны различные системы для минимизации перерывов в трансмиссии во время переключения передач, например, коробка передач SSS (синхронно-самопереключающаяся), используемая компанией Hudswell Clarke .
Дизельно-механическая силовая установка ограничена сложностью создания трансмиссии разумного размера, способной справиться с мощностью и крутящим моментом , необходимыми для перемещения тяжелого поезда. Был предпринят ряд попыток использовать дизель-механическую силовую установку в устройствах большой мощности (например, локомотив British Rail 10100 мощностью 1500 кВт (2000 л.с. ), но ни одна из них в конечном итоге не оказалась успешной.
.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 движение либо электрический генератор постоянного тока (обычно менее 3000 л.с. (2200 кВт) для тяги), либо электрический генератор -выпрямитель переменного тока (обычно 3000 л.с. или более для тяги). выход которого обеспечивает питание тяговых двигателей , приводящих в движение локомотив. Механической связи между дизелем и колесами нет.
Важными компонентами дизель-электрической силовой установки являются дизельный двигатель (также известный как первичный двигатель ), главный генератор/генератор-выпрямитель переменного тока, тяговые двигатели (обычно с четырьмя или шестью осями) и система управления, состоящая из регулятора двигателя и электрические или электронные компоненты, включая распределительные устройства , выпрямители и другие компоненты, которые контролируют или изменяют электропитание тяговых двигателей. В простейшем случае генератор можно напрямую подключить к двигателям с помощью очень простого распределительного устройства.
Первоначально тяговые двигатели и генератор представляли собой машины постоянного тока . После разработки кремниевых выпрямителей высокой мощности в 1960-х годах генератор постоянного тока был заменен генератором переменного тока с использованием диодного моста для преобразования его выходного сигнала в постоянный ток. Это достижение значительно повысило надежность локомотива и снизило затраты на техническое обслуживание генератора за счет исключения коллектора и щеток в генераторе. Устранение щеток и коллектора, в свою очередь, устранило возможность особенно разрушительного типа событий, называемого пробоем (также известного как дуговое замыкание ), которое могло привести к немедленному выходу из строя генератора и, в некоторых случаях, к запуску двигателя. пожар в помещении.
Текущая практика Северной Америки предусматривает использование четырех осей для высокоскоростных пассажирских или «временных» грузов или шесть осей для низкоскоростных или «явных» грузовых перевозок. Самые современные единицы грузовых перевозок «времени», как правило, имеют шесть осей под рамой. В отличие от тех, которые находятся в «манифестном» режиме, грузовые единицы «времени» будут иметь только четыре оси, подключенные к тяговым двигателям, а две другие будут использоваться в качестве натяжных осей для распределения веса.
В конце 1980-х годов разработка мощных приводов с регулируемым напряжением и переменной частотой (VVVF), или «тяговых инверторов», позволила использовать тяговые двигатели многофазного переменного тока, тем самым также устранив коллектор двигателя и щетки. В результате получается более эффективный и надежный привод, который требует относительно небольшого обслуживания и лучше справляется с условиями перегрузки, которые часто выводят из строя двигатели старых типов.
Выходная мощность дизель-электрического локомотива не зависит от скорости движения, если не превышаются пределы тока и напряжения генератора агрегата. Следовательно, способность агрегата развивать тяговое усилие (также называемое тяговым усилием или силой тяги , которая фактически приводит в движение поезд) будет иметь тенденцию обратно пропорционально изменяться со скоростью в этих пределах. (См. кривую мощности ниже). Поддержание приемлемых рабочих параметров было одним из основных вопросов проектирования, который необходимо было решить на ранних этапах разработки дизель-электрических локомотивов и, в конечном итоге, привел к созданию сложных систем управления на современных агрегатах.
Выходная мощность первичного двигателя в первую очередь определяется его скоростью вращения ( об/мин ) и расходом топлива, которые регулируются регулятором или аналогичным механизмом. Регулятор спроектирован так, чтобы реагировать как на настройку дроссельной заслонки, определяемую водителем двигателя, так и на скорость, с которой работает первичный двигатель (см. Теорию управления ).
Выходная мощность локомотива и, следовательно, скорость обычно контролируется машинистом с помощью ступенчатого или «вырезанного» дросселя , который генерирует двоичные электрические сигналы, соответствующие положению дроссельной заслонки. Эта базовая конструкция хорошо подходит для работы нескольких агрегатов (MU), создавая дискретные условия, гарантирующие, что все агрегаты в составе одинаково реагируют на положение дроссельной заслонки. Двоичное кодирование также помогает минимизировать количество железнодорожных линий (электрических соединений), необходимых для передачи сигналов от устройства к устройству. Например, для кодирования всех возможных положений дроссельной заслонки требуется всего четыре железнодорожных линии, если имеется до 14 ступеней дросселирования.
Североамериканские локомотивы, например, построенные EMD или General Electric , имеют восемь положений дроссельной заслонки или «выемки», а также «реверс», позволяющий им работать в двух направлениях. Многие локомотивы, построенные в Великобритании, имеют десятипозиционный дроссель. Локомотивные бригады часто называют положения мощности в зависимости от положения дроссельной заслонки, например, «ход 3» или «выемка 3».
В старых локомотивах дроссельный механизм был с храповым механизмом , поэтому невозможно было одновременно перемещать более чем на одно положение мощности. Например, машинист не мог переместить 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 («снятие 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 загрузки поезда независимо от того, как машинист управляет органами управления.
Когда дроссельная заслонка находится в положении холостого хода, тягач получает минимальное количество топлива, что приводит к его работе на холостом ходу при низких оборотах. Кроме того, тяговые двигатели не подключены к основному генератору и обмотки возбуждения генератора не возбуждаются (подаются под напряжение) – без возбуждения генератор не вырабатывает электроэнергию. Следовательно, локомотив будет находиться на «нейтралке». Концептуально это то же самое, что перевести коробку передач автомобиля в нейтральное положение при работающем двигателе.
Для приведения локомотива в движение рукоятку управления реверсом переводят в правильное положение (вперед или назад), отпускают тормоз и переводят дроссель в положение хода 1 (первая силовая метка). Опытный машинист может выполнить эти действия скоординировано, что приведет к почти незаметному пуску. Совместное расположение реверса и движения дроссельной заслонки концептуально похоже на переключение автоматической коробки передач автомобиля на передачу при работе двигателя на холостом ходу.
Установка дроссельной заслонки в первое положение мощности приведет к подключению тяговых двигателей к главному генератору и возбуждению катушек возбуждения последнего. При подаче возбуждения главный генератор подает электроэнергию на тяговые двигатели, приводя в движение. Если локомотив движется «налегке» (то есть не сцеплен с остальной частью поезда) и не находится на подъеме, он легко ускорится. С другой стороны, если запускается длинный поезд, локомотив может заглохнуть, как только будет устранена часть слабины, поскольку сопротивление, создаваемое поездом, превысит развиваемую силу тяги. Опытный машинист сможет распознать начинающуюся остановку двигателя и постепенно увеличивать газ до необходимой степени для поддержания темпа ускорения.
Когда дроссельная заслонка перемещается в положение более высокой мощности, расход топлива в первичном двигателе увеличивается, что приводит к соответствующему увеличению числа оборотов в минуту и выходной мощности. В то же время возбуждение поля основного 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 расписания поезда, машинист переведет дроссельную заслонку в положение максимальной мощности и будет удерживать ее в этом положении до тех пор, пока поезд не разгонится до желаемой скорости.
Силовая установка рассчитана на создание максимального крутящего момента тягового двигателя при запуске, что объясняет, почему современные локомотивы способны запускать поезда массой более 15 000 тонн даже на подъемах. Современная технология позволяет локомотиву развивать тяговую силу, составляющую до 30% веса нагруженного машиниста, что составляет 120 000 фунтов силы (530 кН) тяговой силы для большой шестиосной грузовой (товарной) единицы. Фактически, состав таких агрегатов может создавать более чем достаточное тяговое усилие при запуске, чтобы повредить или сойти с рельсов вагоны (на повороте) или сломать сцепные устройства (последнее на жаргоне североамериканских железнодорожников называется «рывком легкого»). ). Поэтому водитель двигателя обязан внимательно следить за количеством мощности, подаваемой при запуске, чтобы избежать повреждений. В частности, «дерганье легкого» могло бы стать катастрофой, если бы оно произошло на подъеме, за исключением того, что безопасность, присущая правильной работе отказоустойчивых автоматических тормозов поездов , установленных сегодня в вагонах, предотвращает сход поездов с места, автоматически применяя Вагон тормозит, когда давление воздуха в поезде падает.
Система управления локомотивом устроена таким образом, что выходная электрическая мощность главного генератора согласовывается с любой заданной частотой вращения двигателя. Учитывая врожденные характеристики тяговых двигателей, а также способ подключения двигателей к главному генератору, генератор будет вырабатывать большой ток и низкое напряжение при низких скоростях локомотива, постепенно переходя на малый ток и высокое напряжение по мере ускорения локомотива. . Следовательно, полезная мощность, вырабатываемая локомотивом, останется постоянной при любой заданной настройке дроссельной заслонки ( см. график кривой мощности для отметки 8 ).
В старых конструкциях регулятор первичного двигателя и сопутствующее устройство — регулятор нагрузки — играют центральную роль в системе управления. Регулятор имеет два внешних входа: требуемую скорость двигателя, определяемую положением дроссельной заслонки машиниста, и фактическую скорость двигателя ( обратная связь ). Регулятор имеет два внешних выхода управления: настройку топливной форсунки , определяющую расход топлива в двигателе, и положение регулятора тока, влияющее на возбуждение главного генератора. Регулятор также включает в себя отдельный механизм защиты от превышения скорости, который немедленно прекращает подачу топлива к форсункам и подает звуковой сигнал в кабине, если первичный двигатель превысит определенное количество оборотов в минуту. Не все эти входы и выходы обязательно являются электрическими.
При изменении нагрузки на двигатель будет меняться и его частота вращения. Это обнаруживается регулятором посредством изменения сигнала обратной связи по частоте вращения двигателя. Конечным результатом является регулировка как расхода топлива, так и положения регулятора нагрузки так, чтобы обороты двигателя и крутящий момент (и, следовательно, выходная мощность) оставались постоянными для любого заданного положения дроссельной заслонки, независимо от фактической скорости движения.
В новых конструкциях, управляемых «тяговым компьютером», каждому шагу скорости двигателя в программном обеспечении назначается соответствующая выходная мощность или «задание в кВт». Компьютер сравнивает это значение с фактической выходной мощностью главного генератора или «обратной связью в кВт», рассчитанной на основе значений обратной связи по току тягового двигателя и напряжению основного генератора. Компьютер регулирует значение обратной связи, чтобы оно соответствовало опорному значению, управляя возбуждением основного генератора, как описано выше. Регулятор по-прежнему контролирует частоту вращения двигателя, но регулятор нагрузки больше не играет центральной роли в системе управления этого типа. Однако регулятор нагрузки сохраняется в качестве «резервного» на случай перегрузки двигателя. Современные локомотивы, оснащенные электронной системой впрыска топлива (EFI), могут не иметь механического регулятора; однако «виртуальный» регулятор нагрузки и регулятор сохраняются в компьютерных модулях.
Производительность тягового двигателя контролируется либо путем изменения выходного напряжения постоянного тока главного генератора для двигателей постоянного тока, либо путем изменения выходной частоты и напряжения VVVF для двигателей переменного тока. В двигателях постоянного тока используются различные комбинации соединений для адаптации привода к изменяющимся условиям эксплуатации.
В состоянии покоя выход основного генератора изначально имеет низкое напряжение/большой ток, часто превышающий 1000 ампер на двигатель при полной мощности. Когда локомотив находится в состоянии покоя или почти неподвижен, ток будет ограничен только сопротивлением постоянного тока обмоток двигателя и соединительных схем, а также мощностью самого главного генератора. Крутящий момент в двигателе с последовательной обмоткой примерно пропорционален квадрату тока. Следовательно, тяговые двигатели будут создавать максимальный крутящий момент, заставляя локомотив развивать максимальное тяговое усилие , что позволяет ему преодолеть инерцию поезда. Этот эффект аналогичен тому, что происходит в автомобильной автоматической коробке передач при запуске, когда она находится на первой передаче и тем самым обеспечивает максимальное увеличение крутящего момента.
По мере ускорения локомотива вращающиеся якоря двигателя начнут генерировать противоэлектродвижущую силу (обратная ЭДС, то есть двигатели также пытаются действовать как генераторы), которая будет противодействовать выходной мощности главного генератора и вызывать ток тягового двигателя. уменьшать. Напряжение главного генератора соответственно увеличится в попытке сохранить мощность двигателя, но в конечном итоге выйдет на плато. В этот момент локомотив по сути перестанет ускоряться, если только не на понижении. Поскольку это плато обычно достигается на скорости, значительно меньшей желаемой максимальной, необходимо что-то сделать, чтобы изменить характеристики привода, чтобы обеспечить дальнейшее ускорение. Это изменение называется «переходом» и представляет собой процесс, аналогичный переключению передач в автомобиле.
К методам перехода относятся:
Оба метода также можно комбинировать для увеличения диапазона рабочих скоростей.
В старых локомотивах машинисту приходилось вручную выполнять переход с помощью отдельного органа управления. Чтобы помочь выполнить переход в нужное время, измеритель нагрузки (индикатор, который показывает машинисту, какой ток потребляется тяговыми двигателями) был откалиброван, чтобы указать, в каких точках должен произойти переход вперед или назад. 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 (более ранние тяговые генераторы , преобразующие постоянный ток в постоянный, были способны выдавать только 600 вольт). Это улучшение было достигнуто в основном за счет усовершенствований в технологии кремниевых диодов. Благодаря возможности подачи 1200 вольт на тяговые двигатели необходимость в «переходе» была устранена.
Распространенным вариантом на дизель-электрических локомотивах является динамическое (реостатическое) торможение .
Динамическое торможение использует тот факт, что якоря тягового двигателя всегда вращаются, когда локомотив находится в движении, и что двигатель можно заставить действовать как генератор , отдельно возбуждая обмотку возбуждения. При использовании динамического торможения цепи контроля тяги настраиваются следующим образом:
Совокупный эффект вышеизложенного заключается в том, что каждый тяговый двигатель вырабатывает электроэнергию и рассеивает ее в виде тепла в сети динамического торможения. Вентилятор, подключенный к сети, обеспечивает принудительное воздушное охлаждение. Следовательно, вентилятор питается от мощности тяговых двигателей и будет работать быстрее и производить больший воздушный поток, поскольку в сеть подается больше энергии.
В конечном итоге источником энергии, рассеиваемой в сети динамического торможения, является движение локомотива, передаваемое якорям тягового двигателя. Таким образом, тяговые двигатели создают сопротивление, а локомотив действует как тормоз. По мере снижения скорости эффективность торможения снижается и обычно становится неэффективной при скорости ниже 16 км/ч (10 миль в час), в зависимости от передаточного отношения между тяговыми двигателями и осями .
Динамическое торможение особенно полезно при эксплуатации в горных районах, где всегда существует опасность сноса из-за перегрева фрикционных тормозов при спуске. В таких случаях динамические тормоза обычно применяются в сочетании с пневматическими тормозами , причем комбинированный эффект называется смешанным торможением . Использование смешанного торможения также может помочь сохранить провисание длинного поезда на подъеме, помогая предотвратить «обкатку», резкое скопление провисания поезда, которое может привести к сходу с рельсов. Смешанное торможение также широко используется в пригородных поездах для уменьшения износа механических тормозов, что является естественным результатом многочисленных остановок, которые такие поезда обычно делают во время пробега.
Эти специальные локомотивы могут работать как электровоз или как тепловоз. Компании Long Island Rail Road , Metro-North Railroad и New Jersey Transit Rail Operations используют двухрежимные дизель-электрические локомотивы с третьим рельсом ( контактная линия на NJTransit) между неэлектрифицированной территорией и Нью-Йорком из-за местного закона, запрещающего дизельное топливо. локомотивы с электроприводом в туннелях Манхэттена . По той же причине компания Amtrak управляет парком двухрежимных локомотивов в районе Нью-Йорка. British Rail эксплуатировала сдвоенные дизель-электрические/электрические локомотивы, предназначенные для работы в основном как электровозы с пониженной мощностью, доступной при работе на дизельном топливе. Это позволило железнодорожным станциям оставаться неэлектрифицированными, поскольку третья рельсовая энергосистема чрезвычайно опасна на территории станции.
В дизель-гидравлических локомотивах используется один или несколько гидротрансформаторов в сочетании с шестернями с фиксированным передаточным числом. Приводные валы и шестерни образуют главную передачу, передающую мощность от преобразователей крутящего момента на колеса и обеспечивающую реверс. Разница между гидравлическими и механическими системами заключается в том, где регулируется скорость и крутящий момент. В системе механической трансмиссии, которая имеет несколько передаточных чисел, например, в коробке передач, если есть гидравлическая секция, она предназначена только для того, чтобы позволить двигателю работать только тогда, когда поезд движется слишком медленно или останавливается. В гидравлической системе гидравлика является основной системой адаптации частоты вращения и крутящего момента двигателя к ситуации в поезде, при этом выбор передачи предназначен лишь для ограниченного использования, например передачи заднего хода.
Системы гидравлического привода, использующие систему гидростатического гидравлического привода, применяются на железнодорожном транспорте. Современные примеры включают маневровые локомотивы мощностью от 350 до 750 л.с. (от 260 до 560 кВт) компании Cockerill (Бельгия), [43] узкоколейные промышленные локомотивы от 4 до 12 тонн мощностью от 35 до 58 кВт (от 47 до 78 л.с.) компании GIA, дочерней компании Atlas Copco . [44] Гидростатические приводы применяются также в железнодорожных ремонтных машинах (трамбовщиках, рельсошлифовальных машинах). [45]
Применение гидростатических трансмиссий обычно ограничивается небольшими маневровыми локомотивами и железнодорожным оборудованием, а также используется для нетяговых применений в дизельных двигателях, таких как приводы вентиляторов тяговых двигателей. [ нужна цитата ]
Гидрокинетическая трансмиссия (также называемая гидродинамической трансмиссией) использует гидротрансформатор . Гидротрансформатор состоит из трех основных частей, две из которых вращаются, а одна ( статор ) имеет блокировку, предотвращающую вращение назад и добавляющую выходной крутящий момент за счет перенаправления потока масла при низких оборотах на выходе. Все три основные части герметично закрыты в маслонаполненном корпусе. Чтобы согласовать скорость двигателя со скоростью нагрузки во всем диапазоне скоростей локомотива, требуется какой-то дополнительный метод, обеспечивающий достаточный диапазон. Один из методов — подключить гидротрансформатор к механической коробке передач, которая автоматически переключает передаточные числа, подобно автоматической коробке передач в автомобиле. Другой метод состоит в том, чтобы предоставить несколько преобразователей крутящего момента, каждый из которых имеет диапазон изменения, покрывающий часть необходимого общего количества; все гидротрансформаторы постоянно соединены механически, и подходящий для требуемого диапазона скоростей выбирают путем заливки масла и слива остальных. Заполнение и слив осуществляется при трансмиссии под нагрузкой, что приводит к очень плавному изменению диапазона без перерыва в передаваемой мощности.
Дизель-гидравлические локомотивы менее эффективны, чем дизель-электрические. Дизельная гидравлика BR первого поколения была значительно менее эффективна (около 65%), чем дизель-электрическая (около 80%), более того , во многих странах первоначальные версии были признаны более сложными механически и с большей вероятностью ломались. вниз. [ нужна ссылка ] Гидравлическая трансмиссия для локомотивов была разработана в Германии. [ нужна ссылка ] До сих пор ведутся споры об относительных преимуществах гидравлических систем по сравнению с электрическими: преимущества, заявленные для гидравлических систем, включают меньший вес, высокую надежность и более низкие капитальные затраты. [ нужна цитата ]
К XXI веку для тяги тепловозов во всем мире в большинстве стран использовались дизель-электрические конструкции, при этом дизель-гидравлические конструкции не нашли применения за пределами Германии и Японии, а также некоторых соседних государств, где они используются в конструкциях для грузовых работ.
В Германии и Финляндии дизель-гидравлические системы достигли высокой надежности в работе. [ нужна цитата ] В Великобритании дизель-гидравлический принцип получил плохую репутацию из-за плохой долговечности и надежности гидравлической трансмиссии Maybach Mekydro . [ нужна цитата ] Продолжаются споры об относительной надежности гидравлических систем, возникают вопросы о том, манипулировались ли данные в пользу местных поставщиков по сравнению с негерманскими. [ нужна цитата ]
Дизель-гидравлические локомотивы занимают меньшую долю рынка, чем локомотивы с дизель-электрической трансмиссией - основным мировым пользователем магистральных гидравлических трансмиссий была Федеративная Республика Германия , среди ее конструкций были DB класса V 200 1950-х годов, а также DB 1960-х и 1970-х годов. Семейство класса V 160 . British Rail представила ряд дизель-гидравлических конструкций в рамках своего Плана модернизации 1955 года , первоначально построенных по лицензии версий немецких конструкций (см. Категорию: Дизель-гидравлические локомотивы Великобритании ). В Испании компания Renfe использовала двухдвигательные немецкие конструкции с высоким соотношением мощности и веса для перевозки высокоскоростных поездов с 1960-х по 1990-е годы. (См. классы Ренфе 340 , 350 , 352 , 353 , 354 )
Среди других магистральных локомотивов послевоенного периода были экспериментальные локомотивы GMD GMDH-1 1950-х годов; Henschel & Son построила южноафриканский самолет класса 61-000 ; в 1960-х годах компания Southern Pacific купила 18 дизель-гидравлических локомотивов Krauss-Maffei KM ML-4000 . Компания Denver & Rio Grande Western Railroad также купила три, все из которых позже были проданы SP. [47]
В Финляндии с начала 1960-х годов постоянно эксплуатируются более 200 дизель-гидравлических двигателей VR класса Dv12 и Dr14 финского производства с трансмиссией Voith . Все агрегаты класса ДР14 и большинство агрегатов класса ДВ12 все еще находятся в эксплуатации. Компания VR отказалась от некоторых слабокондиционных блоков Dv12 серии 2700. [48]
В серийное производство дизель-гидравлических конструкций стандартной колеи 21 века входят модели Voith Gravita , заказанные Deutsche Bahn , и конструкции Vossloh G2000 BB , G1206 и G1700 , все они производятся в Германии для грузовых перевозок.
Дизельно-гидравлический привод распространен во многих агрегатах, при этом используются различные конструкции трансмиссии , включая гидротрансформаторы Voith и гидромуфты в сочетании с механической передачей.
В большинстве пассажирских поездов DMU второго поколения British Rail использовалась гидравлическая трансмиссия. В 21 веке конструкции, использующие гидравлическую трансмиссию, включают семейства Bombardier Turbostar , Talent , RegioSwinger ; дизельные версии платформы Siemens Desiro и Stadler Regio-Shuttle .
Пародизельные гибридные локомотивы могут использовать пар, вырабатываемый котлом или дизельным топливом, для питания поршневого двигателя. В системе сжатого пара Cristiani использовался дизельный двигатель для привода компрессора в движение и рециркуляции пара, вырабатываемого котлом; эффективное использование пара в качестве средства передачи мощности, при этом дизельный двигатель является основным двигателем [49]
Дизель-пневматический локомотив представлял интерес в 1930-х годах, поскольку предлагал возможность перевода существующих паровозов на дизельный режим. Раму и цилиндры паровоза сохранят, а котел заменят дизельным двигателем с воздушным компрессором . Проблема заключалась в низком тепловом КПД из-за большого количества энергии, теряемой в виде тепла в воздушном компрессоре. Были предприняты попытки компенсировать это за счет использования выхлопных газов дизельного двигателя для повторного нагрева сжатого воздуха, но они имели ограниченный успех. Немецкое предложение 1929 года действительно привело к созданию прототипа [50], но аналогичное британское предложение 1932 года об использовании локомотива LNER класса R1 так и не вышло за пределы стадии проектирования.
Большинство тепловозов способны работать в составе нескольких единиц (MU) как средство увеличения мощности и тягового усилия при буксировке тяжелых поездов. Все североамериканские локомотивы, включая экспортные модели, используют стандартизированную электрическую систему управления AAR , соединенную между блоками 27-контактным кабелем MU. В локомотивах, построенных в Великобритании, используется ряд несовместимых систем управления, но наиболее распространенной является система Blue Star, которая является электропневматической и устанавливается на большинство ранних классов дизелей. Небольшое количество типов, обычно локомотивы большей мощности, предназначенные только для работы с пассажирами, не имеют нескольких систем управления. Во всех случаях электрические соединения управления, общие для всех агрегатов в составе, называются железнодорожными линиями. В результате все локомотивы в составе ведут себя как один в ответ на движения машиниста.
Возможность соединения дизель-электрических локомотивов по принципу MU была впервые представлена в EMC EA/EB в 1937 году. Были выполнены электрические соединения, так что один машинист мог управлять всем составом с головного узла.
В горных регионах вспомогательные локомотивы обычно размещают в середине поезда, чтобы обеспечить дополнительную мощность, необходимую для подъема на подъем, и ограничить нагрузку, прикладываемую к поглощающему аппарату вагона, соединенному с головной частью. власть. Вспомогательные устройства в таких конфигурациях с распределенной мощностью управляются из кабины ведущего устройства с помощью кодированных радиосигналов. Хотя технически это не конфигурация MU, поведение такое же, как и у физически соединенных устройств.
Расположение кабин зависит от производителя и оператора. В США традиционно кабина располагалась на одном конце локомотива с ограниченной видимостью, если кабина локомотива не двигалась вперед. Обычно это не проблема, поскольку локомотивы в США обычно эксплуатируются парами или тройками и располагаются так, что кабина находится на каждом конце каждого комплекта. Европейская практика обычно предусматривает размещение кабин на каждом конце локомотива, поскольку поезда обычно достаточно легкие, чтобы работать с одним локомотивом. Ранняя практика в США заключалась в добавлении силовых агрегатов без кабин (усилителей или агрегатов B ), и схема часто была AB, AA, ABA, ABB или ABBA, где A обозначал агрегат с кабиной. Центральные кабины иногда использовались для стрелочных 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 железных дорогах Северной Америки комплект «корова-теленок» представляет собой пару локомотивов стрелочного типа: один («корова») оборудован кабиной водителя, другой («теленок») без кабины и управляется от коровы посредством тросов. Наборы «коровы-телята» используются в тяжелых перевалочных и горочных работах. Некоторые из них управляются по радио без присутствия в кабине инженера-эксплуататора. Эта схема также известна как «главный-подчиненный» . При наличии двух соединенных агрегатов EMD называла эти TR-2 (приблизительно 2000 л.с. или 1500 кВт); где три агрегата ТР-3 (около 3000 л.с. или 2200 кВт).
Телята в значительной степени исчезли, поскольку эти комбинации двигателей превысили свой экономический срок службы много лет назад.
Существующая в Северной Америке практика заключается в соединении двух стрелочных переводов GP40-2 или SD40-2 мощностью 3000 л.с. , часто почти изношенных и очень скоро готовых к восстановлению или сдаче, и использовании их для так называемых «переходных» целей, для которых Изначально предназначались двигатели ТР-2, ТР-3 и ТР-4, отсюда и обозначение ТР, для «переносного».
Иногда у второго агрегата могут быть сняты первичный двигатель и тяговый генератор переменного тока и заменены бетонным или стальным балластом, а мощность для тяги может быть получена от главного агрегата. Поскольку 16-цилиндровый тягач обычно весит около 36 000 фунтов (16 000 кг), а тяговый генератор мощностью 3 000 л.с. обычно весит около 18 000 фунтов (8 200 кг), это будет означать, что 54 000 фунтов (24 000 кг) понадобится для балласта.
Пара полнофункциональных агрегатов Dash 2 будет иметь мощность 6000 л.с. (4500 кВт). Пара «Dash 2», в которой только один из них имел тягач/генератор переменного тока, будет иметь мощность 3000 л.с., при этом вся мощность будет обеспечиваться ведущим, но комбинация выигрывает от тягового усилия, создаваемого ведомым, поскольку двигатели в режиме передачи используются редко. чтобы обеспечить 3000 л.с., гораздо меньше 6000 л.с. на постоянной основе.
Стандартный тепловоз представляет собой очень низкий риск возникновения пожара, но «огнезащита» может еще больше снизить риск. Это предполагает установку на выхлопную трубу камеры, наполненной водой, для гашения любых раскаленных частиц углерода, которые могут вылететь. Другие меры предосторожности могут включать в себя полностью изолированную электрическую систему (ни одна сторона не заземлена на корпус) и всю электропроводку, заключенную в кабелепровод.
Взрывозащищенный тепловоз заменил беспожарный паровоз в зонах повышенной пожароопасности, таких как нефтеперерабатывающие заводы и склады боеприпасов . Сохранившиеся примеры взрывозащищенных тепловозов включают:
Новейшая разработка «Новой системы очистки выхлопных газов сухого типа для взрывозащищенных дизельных автомобилей» не требует подачи воды. [52]
.jpg/1280px-Canadian_National_diesels_southbound_on_the_Norfolk_Southern_near_Polaris_Mall_in_Columbus,_Ohio_(2092116881).jpg)
Фары, устанавливаемые на тепловозы, различаются в зависимости от страны. Североамериканские локомотивы оснащены двумя фарами (для безопасности в случае неисправности одной из них) и парой канавных фонарей. Последние расположены низко спереди и предназначены для того, чтобы локомотив был хорошо виден при приближении к переезду . Старые локомотивы могут быть оснащены Gyralite или Mars Light вместо кюветных фонарей.
Хотя дизельные локомотивы обычно выбрасывают меньше диоксида серы, основного загрязнителя окружающей среды, и парниковых газов, чем паровозы, в этом отношении они не являются полностью чистыми. [53] Кроме того, как и другие автомобили с дизельным двигателем, они выделяют оксиды азота и мелкие частицы , которые представляют опасность для здоровья населения. Фактически, в этом последнем отношении тепловозы могут работать хуже паровозов.
В течение многих лет ученые американского правительства, которые измеряют загрязнение воздуха, считали, что двигатели тепловозов относительно чисты и выделяют гораздо меньше опасных для здоровья выбросов, чем двигатели дизельных грузовиков или других транспортных средств; однако ученые обнаружили, что, поскольку они использовали ошибочные оценки количества топлива, потребляемого тепловозами, они сильно занижали объем ежегодно образующегося загрязнения. Пересмотрев свои расчеты, они пришли к выводу, что ежегодные выбросы оксидов азота, основного компонента смога и кислотных дождей , а также сажи к 2030 году превысят первоначальные предположения почти в два раза. [54] [55] В Европе, где большинство крупных железных дорог электрифицировано, беспокойства меньше.
Это будет означать, что в США тепловозы будут выбрасывать более 800 000 тонн оксидов азота и 25 000 тонн сажи ежегодно в течение четверти века, в отличие от предыдущих прогнозов Агентства по охране окружающей среды (EPA) о 480 000 тонн диоксида азота и 12 000 тонн диоксида азота и 12 000 тонн сажи. сажа. Поскольку это было обнаружено, для снижения воздействия тепловоза на людей (которые вдыхают вредные выбросы), а также на растения и животных считается целесообразным устанавливать в дизелях ловушки для снижения уровня загрязнения [56] и другие методы. контроля загрязнения (например, использование биодизеля ).
Загрязнение дизельных локомотивов вызывает особую озабоченность в городе Чикаго . Газета Chicago Tribune сообщила, что уровень дизельной сажи внутри локомотивов, выезжающих из Чикаго, в сотни раз превышает уровень, который обычно встречается на улицах снаружи. [57] Жители нескольких кварталов, скорее всего, подвергаются воздействию дизельных выбросов на уровне, в несколько раз превышающем средний показатель по стране для городских территорий. [58]
В 2008 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) ввело правила, требующие, чтобы все новые или отремонтированные тепловозы 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 используются для снижения выбросов локомотивов и расхода топлива, включают переключающие локомотивы Genset и гибридные конструкции Green Goat . В локомотивах с генераторными установками используется несколько высокоскоростных дизельных двигателей и генераторов меньшего размера (генераторных установок), а не один среднеоборотный дизельный двигатель и один генератор. [59] Из-за стоимости разработки экологически чистых двигателей эти меньшие по размеру высокоскоростные двигатели основаны на уже разработанных двигателях грузовых автомобилей. Green Goats — это тип гибридного переключаемого локомотива, в котором используется небольшой дизельный двигатель и большой блок аккумуляторных батарей. [60] [61] Переключательные локомотивы вызывают особую озабоченность, поскольку они обычно работают на ограниченной территории, часто в городских центрах или вблизи них, и проводят большую часть своего времени на холостом ходу. Обе конструкции снижают уровень загрязнения ниже стандартов EPA Tier II и сокращают или устраняют выбросы во время простоя.
По мере развития тепловозов стоимость их производства и эксплуатации падала, и их владение и эксплуатация стали дешевле, чем паровозы. В Северной Америке паровозы изготавливались на заказ для конкретных железнодорожных маршрутов, поэтому добиться эффекта масштаба было сложно. [62] Хотя производство было более сложным 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. В период своего расцвета компания Baldwin Locomotive Works предлагала почти 500 паровых моделей, тогда как EMD предлагала менее десяти разновидностей дизельных двигателей. [63] В Соединенном Королевстве Британские железные дороги строили паровозы по стандартным конструкциям с 1951 года. В их число входили стандартные взаимозаменяемые детали, что делало их производство дешевле, чем доступные тогда тепловозы. Капитальные затраты на мощность тягового тягового устройства составляли 13 фунтов стерлингов 6 шиллингов (паровой), 65 фунтов стерлингов (дизельный двигатель), 69 фунтов стерлингов 7 шиллингов (турбина) и 17 фунтов стерлингов 13 шиллингов (электрический). [64]
Дизельные локомотивы имеют значительные эксплуатационные преимущества перед паровозами. [65] Ими может безопасно управлять один человек, что делает их идеальными для переключения/шунтирования на дворах (хотя по соображениям безопасности многие магистральные тепловозы по-прежнему имеют бригады из двух человек: инженера и кондуктора/стрелочника) и рабочая среда намного привлекательнее, более тихая, полностью защищенная от атмосферных воздействий, без грязи и тепла, которые являются неизбежной частью работы паровоза. Дизельные локомотивы могут работать в составе нескольких локомотивов, при этом одна бригада управляет несколькими локомотивами в одном поезде, что непрактично для паровозов. Это повысило эффективность работы оператора, поскольку отдельные локомотивы могли быть относительно маломощными для использования как единое целое при легких нагрузках, но объединяться вместе для обеспечения мощности, необходимой для тяжелого поезда. При паровой тяге для самых тяжелых поездов требовался один очень мощный и дорогой локомотив, или же оператор прибегал к двойному курсу с несколькими локомотивами и бригадами - метод, который также был дорогим и приносил с собой свои трудности в эксплуатации.
Дизельные двигатели можно запускать и останавливать практически мгновенно, а это означает, что тепловоз может не нести никаких затрат на топливо, когда он не используется. Однако на крупных железных дорогах Северной Америки по-прежнему практикуется использование чистой воды в качестве охлаждающей жидкости в дизельных двигателях вместо охлаждающих жидкостей, обладающих антифризными свойствами; это приводит к тому, что тепловозы остаются на холостом ходу при стоянке в холодном климате, а не полностью выключаются. Дизельный двигатель можно оставлять без присмотра на холостом ходу в течение нескольких часов или даже дней, тем более что практически каждый дизельный двигатель, используемый в локомотивах, имеет системы, которые автоматически отключают 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 обжиг паровоза к эксплуатации с холода может занять много часов. Их можно поддерживать в готовности между использованиями на слабом огне, но это требует регулярной топки и частого внимания к поддержанию уровня воды в котле. Это может быть необходимо для предотвращения замерзания воды в котле в холодном климате, пока не замерзнет подача воды. После использования паровозу требуется длительная операция по утилизации для выполнения очистки, проверки, технического обслуживания и заправки водой и топливом, прежде чем он будет готов к следующей работе. Напротив, еще в 1939 году EMD продвигала свой локомотив серии FT как не нуждающийся в техническом обслуживании между 30-дневными проверками, помимо дозаправки, базового уровня жидкости и проверок безопасности, которые можно было выполнять при работающем первичном двигателе. Железные дороги, перешедшие с пара на дизельное топливо в 1940-х и 1950-х годах, обнаружили, что в течение определенного периода времени тепловозы были доступны в среднем в три или четыре раза больше часов, приносящих доход, чем эквивалентные паровозы, что позволило резко сократить размер локомотивного парка. при сохранении работоспособности. [ нужна цитата ]
Затраты на содержание и эксплуатацию паровозов были значительно выше, чем у дизелей. Ежегодные затраты на техническое обслуживание паровозов составили 25% от первоначальной закупочной цены. Запасные части отливались у деревянных мастеров под конкретные паровозы. Огромное количество уникальных паровозов означало, что не было возможности поддерживать запасы запасных частей. [67] При наличии дизельных локомотивов запасные части могут производиться серийно и храниться на складе, готовые к использованию, а многие детали и узлы могут быть стандартизированы для парка оператора с использованием различных моделей локомотивов от одного и того же производителя. Современные тепловозные двигатели устроены так, чтобы обеспечить возможность замены силовых агрегатов (систем рабочих органов и их блоковых сопряжений) при сохранении основного блока в локомотиве, что существенно сокращает время нахождения локомотива в не приносящей доход эксплуатации при его эксплуатации. требует обслуживания. [34]
Паровые двигатели требовали большого количества угля и воды, что представляло собой дорогостоящие переменные эксплуатационные расходы. [68] Кроме того, тепловой КПД пара был значительно меньше, чем у дизельных двигателей. Теоретические исследования Дизеля продемонстрировали потенциальный тепловой КПД двигателя с воспламенением от сжатия в размере 36% (по сравнению с 6–10% для пара), а одноцилиндровый прототип 1897 года работал с удивительным КПД 26%. [69]
Однако одно исследование, опубликованное в 1959 году, показало, что многие сравнения дизельных и паровозов были проведены несправедливо, главным образом потому, что дизели были более новой технологией. После кропотливого анализа финансовых отчетов и технологического прогресса автор обнаружил, что, если бы исследования паровой технологии вместо дизельного были продолжены, финансовая выгода от перехода на дизельное движение была бы незначительной. [70]
К середине 1960-х годов тепловозы фактически заменили паровозы там, где не использовалась электрическая тяга. [68] Попытки разработать передовые паровые технологии продолжаются и в 21 веке, но не дали существенного эффекта.
Небольшой двухцилиндровый двигатель был установлен на грузовике, который работает на временной линии рельсов, чтобы продемонстрировать адаптацию бензинового двигателя для локомотивных целей, на трамваи
_1.jpg/1280px-SAR_Class_61-000_61-006_(D750)_1.jpg)
.jpg/1280px-%D0%A2%D0%93%D0%9C23%D0%91-2954,_%D0%9B%D0%B8%D1%82%D0%B2%D0%B0,_%D0%9F%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D0%B2%D0%B5%D0%B6%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%83%D0%B5%D0%B7%D0%B4,_%D0%BF%D0%BE%D0%B4%D1%8A%D0%B5%D0%B7%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%BF%D1%83%D1%82%D1%8C_%D0%BE%D1%82_%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B8_%D0%A0%D0%BE%D0%BA%D0%B8%D1%88%D0%BA%D0%B8%D1%81_(Trainpix_142683).jpg)
{{citation}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )В каком-то смысле руководство дока было первым, кто использовал локомотив с масляным двигателем, поскольку именно в доках Халла Северо-Восточной железной дороги локомотив Пристмана поставил свой короткий период эксплуатации. служба в 1894 году
{{citation}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )Дизель имеет довольно долгую историю, а первый из них появился еще в 1894 году. Это был крошечный двухосный локомотив стандартной колеи мощностью 30 л.с. с двухцилиндровым двигателем конструкции Уильяма Дента Пристмана.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)