Первое знакомство с электровозом для начинающих

Электровоз – это локомотив, приводимый в движение электродвигателями и получающий энергию для их питания от контактной сети или от аккумуляторов. В отличие от пассажирского или грузового вагона, электровоз (как и любой другой локомотив) может передвигаться самостоятельно, но не перевозит внутри себя пассажиров или груз. Их перевозят в прицепляемых к электровозу вагонах.
 
Электровоз, как и многие другие локомотивы и вагоны, состоит из кузова и тележек (см. рисунок). Кузов представляет собой закрытую металлическую конструкцию для размещения оборудования электровоза, а также локомотивной бригады (машиниста и его помощника). Кузов опирается на две или три тележки, находящиеся на рельсах. Тележка представляет собой металлическую конструкцию, объединяющую две или три соседние колёсные пары (колёсная пара – это два колеса, правое и левое, соединённые осью). Оси колёсных пар вращаются в специальных подшипниках – буксах, установленных на концах осей. Поэтому на каждую ось приходится по две буксы (правая и левая). На буксы опирается металлическая рама тележки. В свою очередь, на раму тележки опирается кузов электровоза. Между буксами и рамой тележки, а также между рамой тележки и кузовом установлены мощные пружины – рессоры. Для чего они нужны? Дело в том, что при прохождении колёсными парами стыков и неровностей пути возникают удары, вызывающие износ как пути, так и подвижного состава. Благодаря рессорам сила этих ударов уменьшается, при этом уменьшается износ пути и оборудования электровоза. При раскачивании тележек и кузова на рессорах возникают колебания, которые гасятся специальными гасителями колебаний, установленными параллельно рессорам. Каждая тележка электровоза соединена с кузовом вертикальным металлическим стержнем – шкворнем, позволяющим тележке поворачиваться под кузовом в кривых участках пути.


В тележках электровоза устанавливают мощные электродвигатели, которые через зубчатые передачи – редукторы приводят во вращение колесные пары электровоза. Такие электродвигатели, приводящие электровоз в движение, называют тяговыми электродвигателями или просто тяговыми двигателями. Как правило, каждая колёсная пара приводится во вращение своим тяговым двигателем, тогда число тяговых двигателей равно числу колёсных пар. В этом случае говорят, что электровоз имеет индивидуальный тяговый привод. Если же один тяговый двигатель приводит во вращение, например, две колесные пары, то такое техническое решение называют групповым тяговым приводом. В СССР был построен опытный электровоз с групповым тяговым приводом, но его характеристики оказались хуже, чем у электровозов с индивидуальным тяговым приводом. Поэтому в настоящее время на большинстве отечественных и зарубежных электровозов в силу ряда преимуществ применяется индивидуальный тяговый привод. Колёсные пары электровоза, оборудованные тяговыми двигателями, называют движущими или обмоторенными. Как правило, все колёсные пары современных электровозов обмоторены, т.е. имеют тяговые двигатели. Кроме тяговых двигателей, на тележках электровоза устанавливают тормоза – устройства, которые в необходимых случаях замедляют вращение колёсных пар и тем самым тормозят электровоз, снижая его скорость. Основные тормоза работают на сжатом воздухе и называются пневматическими. При отсутствии сжатого воздуха электровоз (как и любой другой подвижной состав) можно затормозить ручным тормозом, а современные электровозы – и стояночным пружинным тормозом, который автоматически затормаживает электровоз при отсутствии сжатого воздуха в тормозной системе. Электровозы, как правило, оборудованы и электрическим торможением – торможением с помощью тяговых двигателей. При таком торможении двигатели электровоза работают как генераторы, вырабатывают электрическую энергию и при этом тормозят электровоз, замедляя вращение его колёсных пар.

По числу осей колёсных пар, находящихся в одной тележке, тележки электровозов бывают двухосными и трёхосными. Один кузов электровоза обычно опирается либо на две двухосные тележки (как на Рисунке), либо на две трёхосные, либо на три двухосные. Следовательно, в первом случае электровоз будет четырехосным, а во 2 и 3 случаях – шестиосным. Чем больше обмоторенных колёсных пар, тем большую мощность может развивать электровоз. Но под одним кузовом сложно разместить более 6 колёсных пар, поэтому современные электровозы состоят из нескольких сцепленных друг с другом кузовов, каждый из которых опирается на свои тележки. Каждый такой кузов называют секцией электровоза. Современные электровозы могут состоять из одной, двух, трех и четырёх секций и называться соответственно, односекционными, двухсекционными, трёхсекционными, четырёхсекционными.

В кузове электровоза размещается его оборудование, а также локомотивная бригада. Локомотивная бригада управляет электровозом из помещения, называемого кабиной машиниста. Односекционный электровоз имеет две кабины машиниста – по одной с каждого конца кузова, многосекционный – одну кабину машиниста на одном из концов кузова. Для обзора вперёд и в стороны кабина машиниста имеет лобовые и боковые окна. В кабине находится пульт управления с органами управления электровозом (кнопками, рукоятками) и приборами для контроля за работой электровоза. Кабина машиниста имеет кресла для машиниста и его помощника, тепло- и звукоизоляцию, системы отопления и вентиляции, а на современных электровозах – и систему кондиционирования (охлаждения) воздуха.

Пространство в кузове, не занятое кабинами машиниста, называется машинным отделением. В нём находится большая часть оборудования электровоза. Как уже говорилось, на электровоз из контактной сети через установленный на крыше электровоза токоприёмник подаётся высокое напряжение в несколько тысяч Вольт. Такое напряжение смертельно опасно для человека, поэтому всё оборудование, работающее под таким напряжением, размещают в отдельном помещении – высоковольтной камере. Это специально отгороженная часть машинного отделения. Во избежание попадание людей под высокое напряжение двери высоковольтной камеры сконструированы так, что при открытых дверях нельзя поднять токоприёмник и подать высокое напряжение на оборудование. И наоборот, при поднятом токоприёмнике открыть двери высоковольтной камеры, а значит, попасть в неё, невозможно.

В высоковольтной камере находится большая часть электрического оборудования электровоза. Конструкция этого оборудования зависит от тока, на котором работает электровоз, от типа тяговых двигателей и конкретного типа электровоза. В общем случае это различные контакторы, реле, переключатели, рубильники, сопротивления, конденсаторы, датчики, а на современных электровозах – и электронные преобразователи. Все эти аппараты служат для управления тяговыми двигателями электровоза (например, для их включения и выключения, изменения скорости и т.д.), для управления другими системами электровоза (например, вспомогательными машинами, о которых речь пойдёт ниже), для защиты оборудования от аварийных режимов в электрических цепях, для питания различного оборудования электровоза необходимым напряжением.

Поскольку всё это оборудование находится под высоким напряжением, переключать такое оборудование вручную невозможно. Им управляют дистанционно из кабины машиниста. Переключая рукоятки на пульте управления в кабине, машинист подаёт электрические сигналы низкого напряжения. По этим сигналам аппараты в высоковольтной камере переключают цепи высокого напряжения. Такая система управления называется косвенной. Её главное преимущество в том, что к органам управления электровозом (кнопкам, рукояткам) подводится только низкое напряжение.

Многие аппараты электровоза (например, токоприёмники и другие электрические аппараты), а также основные тормоза работают на сжатом воздухе. Это воздух, давление которого в несколько раз больше атмосферного. Для получения сжатого воздуха на электровозах устанавливают компрессоры – машины, сжимающие атмосферный воздух до необходимого давления. Чтобы компрессор вырабатывал сжатый воздух, его вал необходимо вращать. Для этого вал компрессора соединяют с валом отдельного электромотора. Такой агрегат, состоящий из компрессора и его электромотора, называют мотор-компрессором. Сжатый воздух, полученный с помощью компрессора, поступает в специальные емкости – резервуары, а оттуда по системе трубопроводов поступает к различным аппаратам.

При работе электровоза многие его аппараты и машины (например, тяговые двигатели) интенсивно нагреваются. Во избежание перегрева такое оборудование необходимо охлаждать – пропускать через него поток воздуха или охлаждающей жидкости. Для обдува оборудования потоком воздуха используют мощные вентиляторы. Они через специальные решётки – жалюзи засасывают атмосферный воздух и подают его по вентиляционным каналам к охлаждаемому оборудованию. Подобно компрессорам, валы вентиляторов также вращают с помощью электромоторов. Агрегат, состоящий из вентилятора и его электромотора, называют мотор-вентилятором.
На ряде электровозов оборудование охлаждают потоками жидкости. Например, трансформаторы на электровозах переменного тока охлаждают с помощью масла. Масло или другую охлаждающую жидкость прокачивают через охлаждаемое оборудование с помощью насосов. Валы насосов также вращают с помощью электромоторов, а агрегат из насоса и его электромотора называют мотор-насосом.

Мотор-вентиляторы, мотор-компрессоры, мотор-насосы и другие подобные машины называют вспомогательными машинами. Они не отвечают непосредственно за приведение электровоза в движение, но без них нормальная работа электровоза невозможна. Электромоторы вспомогательных машин питаются от контактной сети или напрямую или через специальную аппаратуру, которая преобразует напряжение контактной сети в напряжение, подходящее для электромоторов вспомогательных машин. Вспомогательные машины, как правило размещают в отдельной части машинного отделения электровоза – помещении вспомогательных машин. Управляют вспомогательными машинами из кабины машиниста.

Часть оборудования электровоза (например, система управления, лампочки освещения и другое оборудование) не может работать от высокого напряжения контактной сети. Для питания такого оборудования используют низкое напряжение (50 или 110 В постоянного тока). Это напряжение вырабатывается аккумуляторами, а также генераторами постоянного тока, которые называют генераторами управления. Чтобы генераторы управления вырабатывали напряжение, их валы необходимо вращать. Как правило, валы генераторов управления вращают с помощью электромоторов мотор-вентиляторов, работающих от контактной сети. Поэтому генераторы управления могут работать только тогда, когда электровоз подключен к контактной сети и на нём включены мотор-вентиляторы. Когда генераторы управления не работают, оборудование низкого напряжения питается от аккумуляторов, преобразующих химическую энергию в электрическую. На ряде электровозов вместо генераторов управления используют специальные аппараты, преобразующие высокое напряжение контактной сети в напряжение 50 или 110 Вольт постоянного тока.

Все электрические цепи с низким напряжением называют низковольтными цепями электровоза или цепями управления. Оборудование электровоза, которое находится только под низким напряжением, находится вне высоковольтной камеры (например, в кабине машиниста и в машинном отделении). К этому оборудованию относятся и различные органы управления электровозом, в т.ч. контроллер машиниста – аппарат с одной или несколькими рукоятками для управления двигателями электровоза, установленный в кабине машиниста.

Завершая первое знакомство с электровозом, отметим, что на электровозах широко применяется автоматика, выполняющая ряд действия без участия машиниста. На электровозах первой половины ХХ века первые автоматические устройства позволяли включать оборудование в определённой последовательности, автоматически выключать его в аварийных режимах. Они же автоматически поддерживали напряжение в цепях низкого напряжения и давление воздуха в пневматических системах. Затем появились системы безопасности, автоматически останавливающие поезд, если машинист отвлёкся от управления; системы, автоматически поддерживающие заданный машинистом ток двигателей или заданную скорость. Современные системы управления электровозом представляют собой специальные компьютеры, работающие по заданной программе. На современных электровозах используются системы автоведения, способные автоматически вести поезд под контролем машиниста и системы диагностики, выводящие машинисту на дисплей подробную информацию о состоянии оборудования. Разрабатываются беспилотные электровозы, не требующие наличия на электровозе машиниста и его помощника или оставляющие машинисту чисто контрольные функции.

В настоящее время на отечественных железных дорогах эксплуатируются пассажирские электровозы постоянного тока серий ЭП2К*, ЧС7, ЧС2т и ЧС200; пассажирские электровозы переменного тока ЭП1М* и ЧС4т; пассажирские электровозы двойного питания ЭП20*; грузовые электровозы постоянного тока ВЛ10 и ВЛ11 различных модификаций, ВЛ15, 2ЭС4К*, 2ЭС6*, 2ЭС10*; грузовые электровозы переменного тока серии ВЛ80 различных модификаций, ВЛ85 и 2ЭС5К*. Значком* выделены электровозы, выпускавшиеся и выпускаемые в России.