Тепловоз

ЧКД ЧМЭ3 , распространенный образец маневрового тепловоза.

InterCity 125 установил рекорд скорости - 148 миль в час (238 км/ч) - для дизельного поезда в 1987 году. Способный развивать скорость 125 миль в час (201 км/ч) в обычном режиме, поезд состоит из двух моторных вагонов, каждый из которых оснащен семью или восемь вагонов между ними.

Эти локомотивы, эксплуатируемые компанией Pacific National в Австралии, имеют три типа кузова тепловоза: кабину (спереди), капот и плоскую носовую часть (сзади).

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 керосин и бензин в качестве топлива . Рудольф Дизель запатентовал свой первый двигатель с воспламенением от сжатия. в 1898 году, а также постоянное усовершенствование конструкции дизельных двигателей уменьшило их физические размеры и улучшило удельную мощность до такой степени, что их можно было установить в локомотив. Двигатели внутреннего сгорания эффективно работают только в ограниченном диапазоне мощности , и хотя бензиновые двигатели малой мощности можно было соединять с механическими трансмиссиями , более мощные дизельные двигатели требовали разработки новых форм трансмиссии. Это связано с тем, что при таких уровнях мощности сцепления должны быть очень большими и не помещаться в стандартную раму локомотива шириной 2,5 м (8 футов 2 дюйма) или изнашиваться слишком быстро, чтобы их можно было использовать.

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 конструкции 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 комплекта, и с 1935 года пошла в серийное производство вместе с другими модернизированными автомобильными комплектами в Германии. В Соединённых Штатах Дизель-электрическая силовая установка была внедрена в высокоскоростные магистральные пассажирские перевозки в конце 1934 года, в основном благодаря научно-исследовательским усилиям General Motors, начиная с конца 1920-х годов, и достижениям в конструкции легких кузовов автомобилей компании Budd .

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.

История

Адаптация для использования на железных дорогах

Схема масляного двигателя Пристмана из книги «Паровой двигатель и газовые и нефтяные двигатели » (1900 г.) Джона Перри

Бензиново-электрический железнодорожный мотор Weitzer , первый 1903 г., серия 1906 г.

Самым ранним зарегистрированным примером использования двигателя внутреннего сгорания в железнодорожном локомотиве является прототип, разработанный Уильямом Дентом Пристманом , который был исследован Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином в 1888 году, который описал его как « масляный двигатель Пристмана, установленный на грузовике». который работает на временной железнодорожной линии, чтобы показать приспособление бензинового двигателя для локомотивов». двухосная машина мощностью 20 л.с. (15 кВт), построенная компанией Priestman Brothers использовалась В 1894 году в доках Халла . , Англия, был построен железнодорожный локомотив с масляным двигателем, В 1896 году для Королевского арсенала в Вулидже в котором использовался двигатель, разработанный Гербертом Акройдом Стюартом . Это был не 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» для замены парового двигателя и известных сегодня двигателей внутреннего сгорания ( «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» ). Однако большие размеры и плохое соотношение мощности и веса первых дизельных двигателей делали их непригодными для движения наземных транспортных средств. Таким образом, потенциал двигателя как тягача на железных дорогах изначально не был осознан. Ситуация изменилась по мере того, как 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. Первый в мире дизельный локомотив был доставлен в Берлин. дизельный локомотив эксплуатировался летом 1912 года на той же линии, что и Винтертур, но не имел коммерческого успеха. Во время испытаний 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).

До середины 1920-х годов в ряде стран производилось небольшое количество прототипов тепловозов.

Первые тепловозы и вагоны в Азии

Китай

Смотрите также: Список локомотивов в Китае § Тепловозы

Одним из первых дизельных автомобилей отечественной разработки в Китае был Dongfeng DMU (东风), произведенный в 1958 году компанией CSR Sifang . Серийное производство первого в Китае тепловоза класса DFH1 началось в 1964 году после постройки прототипа в 1959 году.

Индия

Смотрите также: Список тепловозов Индии

Япония

В Японии, начиная с 1920-х годов, начали производить бензино-электрические вагоны. Первой дизель-электрической тягой и первым воздушным транспортом на японских железных дорогах стали два DMU3 класса Kiha 43000 (キハ43000系). Первой серией тепловозов в Японии был класс DD50 (国鉄DD50形), сдвоенные локомотивы, разрабатываемые с 1950 года и находящиеся в эксплуатации с 1953 года.

Первые тепловозы и вагоны в Европе

Первые функциональные дизельные автомобили

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

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 ). 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 Fiat -TIBB тепловозов Bo'Bo' были построены для эксплуатации на 950-мм ( 3 фута 1 + 3 ⁄ 8 дюйма ) узкоколейная Ferrovie Calabro Lucane и Società per le Strade Ferrate del Mediterrano на юге Италии в 1926 году после испытаний в 1924–25 годах. Шестицилиндровый двухтактный двигатель выдавал 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.

на вооружение советских железных дорог В 1924 году почти одновременно были приняты два дизель-электрических локомотива:

российской разработки и немецкого производства Дизель-электрический двигатель Е эль-2 , представленный в 1925 году, оставался на вооружении до 1954 года.

• Двигатель Э ^люди 2 ( Э ^он 2 оригинальный номер Юэ 001/Yu-e 001) стартовал 22 октября. Он был спроектирован коллективом под руководством Юрия Ломоносова и построен в 1923–1924 годах на заводе Maschinenfabrik Esslingen в Германии. Он имел пять ведущих мостов (1’E1’). После нескольких тестовых поездок он возил поезда почти три десятилетия с 1925 по 1954 год. Он стал образцом для нескольких классов советских тепловозов.
• Двигатель Щэл1 ( Щ-эль 1 , первоначальный номер Юэ2/Ю-э 2) стартовал 9 ноября. Он был разработан Яковом Модестовичем Гаккелем и построен на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге . Он имел десять ведущих мостов на трёх тележках (1’ Co’ Do’ Co’ 1’). С 1925 по 1927 год он перевозил поезда между Москвой и Курском , а также по Кавказу . Впоследствии из-за технических проблем он был выведен из эксплуатации. С 1934 года использовался как стационарный электрогенератор.

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

Коммутаторы

Основная статья: Локомотив-переключатель

Маневровый поезд Голландских железных дорог 1934 года, в современной ливрее.

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.

Дизельные вагоны для региональных перевозок

Renault VH, Франция , 1933/34 г.

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. ^против (Код класса ничего не говорит, кроме «мотороллер с сиденьями 2-го и 3-го классов».), 128 вагонов 1926–1937 годов постройки или немецких рельсовых автобусов Wismar (57 вагонов 1932–1941 годов). Во Франции первым дизельным вагоном стал Renault VH , в 1933/34 году выпущено 115 единиц.В Италии после шести бензиновых автомобилей с 1931 года Фиат и Бреда 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.

Высокоскоростные вагоны

В 1930-е годы в ряде стран были разработаны обтекаемые высокоскоростные дизельные вагоны:

• В Германии « Летающий гамбургер» был построен в 1932 году. После испытательной поездки в декабре 1932 года этот двухвагонный дизельный вагон (в английской терминологии DMU2) начал службу на Deutsche Reichsbahn (DRG) в феврале 1933 года. Он стал прототипом DRG. Класс SVT 137 с еще 33 высокоскоростными DMU, ​​построенными для DRG до 1938 года, 13 DMU 2 (серия "Гамбург"), 18 DMU 3 (серии "Лейпциг" и "Кельн") и два DMU 4 (серия "Берлин").
• Французские самолеты классов XF 1000 и XF 1100 от SNCF включали в себя 11 высокоскоростных DMU, ​​также называемых TAR, построенных в 1934–1939 годах.
• В Венгрии компания Ganz Works построила железнодорожный двигатель Arpad , своего рода роскошный рельсовый автобус в серии из семи экземпляров с 1934 года и Харгиту начали строить в 1944 году.

Дальнейшие разработки

British Rail класса D16/1 , с 1948 г.

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.

Первые тепловозы и вагоны в Северной Америке

Ранние события в Северной Америке

Адольф Буш приобрел в Америке права на производство дизельного двигателя в 1898 году, но так и не применил эту новую форму энергии на транспорте. В 1911 году он основал компанию Busch-Sulzer .Лишь ограниченный успех был достигнут в начале двадцатого века с железнодорожными вагонами с двигателями внутреннего сгорания, отчасти из-за трудностей с системами механического привода.

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. 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. проблемы, связанные с согласованием первичного двигателя и электродвигателя Сразу же возникли Ward Leonard . , в первую очередь из-за ограничений выбранной системы управления током 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 двигателем с помощью одного рычага; последующие улучшения также были запатентованы Лемпом. Конструкция Лемпа решила проблему перегрузки и повреждения тяговых двигателей избыточной электрической мощностью на малых скоростях и явилась прототипом всех систем управления электроприводом внутреннего сгорания.

В 1917–1918 годах компания GE произвела три экспериментальных дизель-электрических локомотива с использованием конструкции управления Лемпа, первый из которых, как известно, был построен в Соединенных Штатах. После этого Закон Кауфмана 1923 года запретил движение паровозов в Нью-Йорке из-за серьезных проблем с загрязнением. Ответом на этот закон стала электрификация железнодорожных линий с интенсивным движением. 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. Подразделение успешно зарекомендовало себя в грузоперевозках и местных грузовых и пассажирских перевозках на десяти железных дорогах и трех промышленных линиях. Westinghouse Electric и Baldwin сотрудничали в производстве импульсных 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.

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 . Его двухмоторная конструкция не имела успеха, и после непродолжительного периода испытаний и демонстрации агрегат был списан. Источники в отрасли начали предполагать «выдающиеся преимущества этой новой формы движущей силы». В 1929 году Канадские национальные железные дороги стали первой железной дорогой в Северной Америке, которая использовала в магистральных перевозках дизели с двумя агрегатами, 9000 и 9001, производства Westinghouse. Однако эти первые дизели оказались дорогими и ненадежными, а их высокая стоимость приобретения по сравнению с паром не позволяла добиться 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. Серьезные 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. компании GM , Winton Engine Corporation стремилась разработать дизельные двигатели, подходящие для высокоскоростного мобильного использования. Первой вехой в этих усилиях стала поставка в начале 1934 года Winton 201A, двухтактного прямоточной насос и дизельного двигателя с механическим наддувом, -форсункой который , продувкой 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.

Дизель-электрические железнодорожные локомотивы вошли в состав магистральной сети, когда начиная с конца 1934 года компании Burlington Route и Union Pacific использовали изготовленные по индивидуальному заказу дизельные « обтекаемые лайнеры » для перевозки пассажиров. Поезда Burlington Zephyr превратились из сочлененных трехвагонных составов с мощностью 600 л.с. в 1934 и начале 1935 года до Denver Zephyr полусочлененных десятивагонных поездов добавятся Лос-Анджелес, Калифорния , Окленд, Калифорния , и Денвер, Колорадо , приводимых в движение силовыми установками с усилителем кабины, представленных в конце 1936 года. Union Pacific начала обслуживание дизельных модернизированных поездов между Чикаго и Портленд, штат Орегон, в июне 1935 года, а в следующем году к пунктам назначения дизельных обтекаемых лайнеров из Чикаго . Обтекаемые самолеты Burlington и Union Pacific были построены компаниями Budd Company и Pullman-Standard Company GM соответственно с использованием новых двигателей Winton и систем силовой передачи, разработанных Electro-Motive Corporation . 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 Zephyr силовыми агрегатами . Обе эти функции будут использоваться в локомотивах более поздних серийных моделей EMC. Легкие дизельные обтекаемые тепловозы середины 1930-х годов продемонстрировали преимущества дизельного топлива для пассажирских перевозок с революционными графиками, 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.

Первые локомотивы серийного производства в Америке.

Вслед за прототипом 1925 года консорциум AGEIR в период с 1925 по 1928 год произвел еще 25 единиц 60-тонных AGEIR маневровых локомотивов мощностью 300 л.с. (220 кВт) с крытой кабиной для нескольких железных дорог Нью-Йорка, что сделало их первыми серийными тепловозами. 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 грузового локомотива 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 EMD серии F 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 1942–43 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 послевоенной эпохи 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 компании General Electric в 1994 году и AC6000CW в 1995 году.

Ранние тепловозы и вагоны в Океании

Вагон McKeen в Водонге, Австралия, 1911 год.

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. Некоторые предполагают, что CR работала с Южно-Австралийскими железными дорогами над испытанием дизельной тяги. 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:

• Некоторые австралийские железнодорожные компании купили железнодорожные двигатели McKeen .
• В 1920-х и 1930-х годах австралийские предприятия производили более надежные бензиновые моторы.
• Первыми дизельными вагонами в Австралии были вагоны Silver City Comet класса NSWGR 100 (PH, позже DP) Silver City Comet в 1937 году.
• Высокоскоростными транспортными средствами для возможностей того времени с длиной 3 фута 6 дюймов ( 1067 мм ) были десять железнодорожных вагонов Vulcan 1940 года для Новой Зеландии.

Типы трансмиссии

Дизельно-механический

Схематическое изображение дизель-механического локомотива.

В дизель-механическом локомотиве используется механическая трансмиссия , аналогичная той, которая используется в большинстве дорожных транспортных средств. Этот тип трансмиссии обычно ограничивается маломощными, тихоходными маневровыми (переключательными) локомотивами, легкими моторвагонами и самоходными вагонами .

British Rail Class 03 Дизель-механический маневровый двигатель с промежуточным валом под кабиной.

Механические трансмиссии, используемые для движения железных дорог, как правило, более сложны и гораздо более надежны, чем стандартные автомобильные версии. Обычно имеется гидромуфта между двигателем и коробкой передач , 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 лишь немногие из них оказались успешными (например, локомотив DSB мощностью 1342 кВт (1800 л.с.) Класс МФ ).

Дизель-электрический

Этот раздел посвящен тепловозам с электрической передачей. О локомотивах, работающих как на внешнем электричестве, так и на дизельном топливе, см. § Электродизель . Информацию о локомотивах, приводимых в движение комбинацией дизельных или топливных элементов и аккумуляторов или ультраконденсаторов, см. в разделе « Гибридный поезд» .

См. Также: Дизель-электрическая трансмиссия.

Принципиальная схема дизель-электровоза.

EMD DDA40X , самый мощный в мире односекционный дизель-электровоз с двумя дизельными двигателями мощностью 6600 л.с. (4920 кВт)

Российский тепловоз ТЭП80 , самый быстрый дизель-электрический локомотив в мире, достигший 5 октября 1993 года скорости 271 км/ч (168 миль в час).

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, 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.

EMD F40PH (слева) и MPI MPXpress серии MP36PH-3S (справа), Локомотивы соединенные вместе компанией Metra, используют дизель-электрическую трансмиссию .

Чешские 742 и 743 классов маневровые локомотивы

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 возникновения 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» грузовых автомобилей 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 промежуточных 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.

Дизель-электрическое управление

Модель MLW S-3 произведена в 1957 году для CPR по разработкам ALCO .

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 конструктивных соображений, которое необходимо было решить на ранних этапах разработки дизель-электрических локомотивов и, в конечном итоге, привело к созданию сложных систем управления на современных агрегатах.

Работа дроссельной заслонки

Органы управления инженера в капотного кабине дизель-электровоза типа. Рычаг внизу в центре — это дроссельная заслонка, а рычаг, видимый внизу слева, — это управление автоматическим тормозным клапаном.

Кабина У в стиле коробчатого российского локомотива 2ТЭ116 типа . Цифра 11 указывает на дроссельную заслонку.

первичного двигателя Выходная мощность 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.

Обзор кабины машиниста и машинного отделения венгерского в стиле кабины М61 дизель-электровоза . Изменение звука дизельного двигателя можно услышать во время переключения дроссельной заслонки.

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) – генератор не вырабатывает электроэнергию без возбуждения. 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 практически 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 остановиться, как только часть слабины будет устранена, 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.

Магистральные дизель-электровозы EMD и GE США в работе с грузовыми поездами. Звуки дизелей на холостом ходу и при включении

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 североамериканском железнодорожном сленге 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 их. Вагон тормозит, когда давление воздуха в поезде падает.

Работа двигательной установки

Типичная кривая постоянной мощности главного генератора на отметке 8.

Дизельный двигатель и главный генератор постоянного тока чешского локомотива класса 751

Левый коридор силового отделения российского тепловоза 2ТЭ116 У, 3 – генератор, 4 – выпрямитель, 6 – дизель

Советский 2ТЭ116 тепловоз в движении с товарным поездом. Звуки дизелей на полной мощности

Система управления локомотивом устроена таким образом, чтобы выходная электрическая мощность главного генератора согласовывалась с любой заданной частотой вращения двигателя. Учитывая врожденные характеристики тяговых двигателей, а также способ подключения двигателей к главному генератору, генератор будет вырабатывать большой ток и низкое напряжение 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: топливной форсунки настройку , 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 в случае, если частота вращения первичного двигателя превышает определенное значение. Не все эти входы и выходы обязательно являются электрическими.

12-цилиндровый 2-тактный дизельный двигатель EMD 12-567B (на переднем плане; квадратные «отверстия для рук»), хранящийся в ожидании ремонта, в нем отсутствуют некоторые компоненты, с 16-цилиндровым двигателем 16-567C или D (на заднем плане; круглые «отверстия для рук»). ").

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, поток тока 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 противо-ЭДС (обратная ЭДС, то есть двигатели также пытаются действовать как генераторы), которая будет противодействовать выходной мощности главного генератора и вызывать ток тягового двигателя. уменьшиться. 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:

• Последовательное/Параллельное или «моторный переход».
  • Первоначально пары двигателей подключаются последовательно к главному генератору. На более высокой скорости двигатели снова подключаются параллельно к главному генератору.
• «Шунтирование поля», «отклонение поля» или «слабое полевое воздействие».
  • Сопротивление подключается параллельно полю двигателя. Это приводит к увеличению тока якоря , что приводит к соответствующему увеличению крутящего момента и скорости двигателя.

Оба метода также можно комбинировать для увеличения диапазона рабочих скоростей.

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

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 напряжение 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.

Динамическое торможение

Основная статья: Динамический тормоз

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:

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

Совокупный эффект вышеизложенного заключается в том, что каждый тяговый двигатель вырабатывает электроэнергию и рассеивает ее в виде тепла в сети динамического торможения. Вентилятор, подключенный к сети, обеспечивает принудительное воздушное охлаждение. Следовательно, вентилятор 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 , а комбинированный эффект называется смешанным торможением . Использование смешанного торможения также может помочь сохранить провисание длинного поезда при подъеме на подъем, 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.

Электро-дизель

Metro-North компании GE Genesis P32AC-DM Электродизельный локомотив также может работать без электрификации третьего рельса .

Основная статья: Электродизельный локомотив

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 ( цепная линия на NJTransit) между неэлектрифицированной территорией и Нью-Йорком из-за местного закона, запрещающего дизельное топливо. локомотивы с электроприводом в Манхэттена туннелях . 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.

Дизельно-гидравлический

Принципиальная схема дизель-гидравлического маневрового локомотива с гидромеханической передачей

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.

Гидростатическая трансмиссия

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), Узкоколейные промышленные локомотивы от 4 до 12 тонн, от 35 до 58 кВт (от 47 до 78 л.с.) производства Atlas Copco . GIA, дочерней компании Гидростатические приводы применяются также в машинах для ремонта железных дорог (трамбовщики, рельсошлифовальные машины).

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.

Гидрокинетическая трансмиссия

См. Также: Гидротрансформатор и Гидромуфта.

Оборудование российского ТГМ6 : тепловоза
1 — дизель, 2 — масляный фильтр, 3 — поворотный механизм, 4 — водотопливный подогреватель, 5 — вспомогательный электрогенератор, 6 — гидрокинетическая трансмиссия, 7 — клапан первой передачи (с рукояткой ручного переключения), 8 — АКПП масляный фильтр

Гидрокинетическая трансмиссия (также называемая гидродинамической трансмиссией) использует гидротрансформатор . Гидротрансформатор состоит из трех основных частей, две из которых вращаются, а одна ( статор ) имеет блокировку, предотвращающую обратное вращение 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.

• 
  Дизельный тягач (слева) и гидравлическая трансмиссия (справа) British Rail Class 52 тепловоза
• 
  южноафриканский дизель-гидравлический локомотив класса 61-000 Строящийся

Локомотивы

Voith Maxima 40CC , самый мощный одномоторный дизель-гидравлический локомотив в мире, мощностью 3600 кВт (4800 л.с.)

Дизель-гидравлические локомотивы менее эффективны, чем дизель-электрические. Дизельная гидравлика BR первого поколения была значительно менее эффективна (около 65%), чем дизельная электрика (около 80%), Более того, во многих странах было обнаружено, что первоначальные версии были механически более сложными и с большей вероятностью ломались. Гидравлическая передача для локомотивов была разработана в Германии. 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.

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. В Великобритании дизель-гидравлический принцип получил плохую репутацию из-за плохой долговечности и надежности гидравлической трансмиссии Maybach Mekydro . Продолжаются споры об относительной надежности гидравлических систем, возникают вопросы о том, манипулировались ли данные в пользу местных поставщиков по сравнению с негерманскими.

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 1960-х и 1970-х годов. 1950-х годов, а также DB 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 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.

финского производства более 200 дизель-гидравлических двигателей VR класса Dv12 и Dr14 с трансмиссией Voith В Финляндии с начала 1960-х годов постоянно эксплуатируются . Все агрегаты класса ДР14 и большинство агрегатов класса ДВ12 все еще находятся в эксплуатации. Компания VR отказалась от некоторых слабокондиционных блоков Dv12 серии 2700.

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.

• 
  JNR DD51 1 дизель-гидравлический
• 
  ДБ класса В 200 Дизель-гидравлический локомотив
• 
  Дизель-гидравлические локомотивы British Rail: класс 52 «Вестерн» , класс 42 «Военный корабль» и класс 35 «Химек».
• 
  ТА ВР класса ДВ12 Дизель-гидравлический локомотив
• 
  ГМД ГМДХ-1 Дизель-гидравлический локомотив
• 
  Советский тепловоз ТГМ23.

Несколько единиц

Дизельно-гидравлический привод распространен во многих агрегатах, при этом используются различные конструкции трансмиссии, включая Voith гидротрансформаторы и гидромуфты в сочетании с механической передачей.

В большинстве British Rail пассажирских поездов DMU второго поколения использовалась гидравлическая трансмиссия. В 21 веке конструкции, использующие гидравлическую трансмиссию, включают Turbostar , семейства Talent , RegioSwinger ; Bombardier дизельные версии платформы Siemens Desiro и Stadler Regio-Shuttle .

Дизель-пар

Советский паровоз ТП1

Основная статья: Пародизель-гибридный локомотив

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

Дизельно-пневматический

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. но аналогичное британское предложение 1932 года об использовании локомотива LNER класса R1 так и не вышло за рамки стадии проектирования.

Многоблочная работа

Дизель-электровоз, построенный EMD для эксплуатации в Великобритании и континентальной Европе.

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 блока.

обычно размещают В горных регионах вспомогательные локомотивы 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 такси

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 кабины (усилители или агрегаты B ), и схема часто была AB, AA, ABA, ABB или ABBA, где A обозначал агрегат с кабиной. Центральные кабины иногда использовались для стрелочных локомотивов.

Корова-теленок

Основная статья: Теленок

ЭМД ТР4 локомотив корова-телята

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   мощностью 3000 л.с. стрелочных переводов GP40-2 или SD40-2 , 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 имеет 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.

Фурнитура и приборы

Огнезащита

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:

• Фрэнсис Бэйли из Тэтчема (бывший RAF Welford ) в железнодорожном центре Саутхолла
• Наворт (бывший Национальный совет по угольной промышленности ) на железной дороге Южного Тайндейла

Новейшая разработка «Новой системы очистки выхлопных газов сухого типа для взрывозащищенных дизельных автомобилей» не требует подачи воды.

Свет

Поезд Канадской национальной железной дороги, показывающий расположение фар и фонарей на локомотиве.

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.

Воздействие на окружающую среду

См. Также: Дизельный выхлоп

Загрязнение воздуха советским 2ТЭ10М тепловозом

Хотя дизельные локомотивы обычно выбрасывают меньше диоксида серы, основного загрязнителя окружающей среды, и парниковых газов, чем паровозы, они все равно выбрасывают большие объемы. 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.

, считали В течение многих лет ученые американского правительства, которые измеряют загрязнение воздуха , 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 будут почти вдвое больше, чем они первоначально предполагали. В Европе, где большинство крупных железных дорог электрифицировано, тревога меньше.

Это будет означать, что в США тепловозы будут выбрасывать более 800 000   тонн оксидов азота и 25 000   тонн сажи каждый год 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 ловушки в дизельных двигателях для снижения уровня загрязнения. и другие методы борьбы с загрязнением (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. Жители нескольких кварталов, скорее всего, подвергаются воздействию дизельных выбросов на уровне, в несколько раз превышающем средний показатель по стране для городских территорий.

смягчение последствий

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 дизельных 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. 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. Переключение локомотивов вызывает 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.

Преимущества перед паром

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. Хотя его сложнее производить с жесткими производственными допусками ( 1 ⁄ 10000 дюйма или 0,0025 миллиметра для дизельного топлива по сравнению с 1 ⁄ 100 дюйма (0,25 мм) для пара), детали тепловозов было легче производить серийно. В период своего расцвета компания Baldwin Locomotive Works предлагала почти 500 паровых моделей, тогда как EMD предлагала менее десяти разновидностей дизельных двигателей. В Соединенном Королевстве с 1951 года компания British Railways строила паровозы стандартных конструкций. В их число входили стандартные взаимозаменяемые детали, что делало их производство дешевле, чем тепловозы, доступные на тот момент. 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).

Дизельные локомотивы имеют значительные эксплуатационные преимущества перед паровозами. Ими может безопасно управлять один человек, что делает их идеальными для коммутационных/маневровых работ на дворах (хотя по соображениям безопасности многие магистральные тепловозы по-прежнему имеют бригаду из двух человек: инженера и кондуктора/стрелочника) и рабочей среды. намного привлекательнее, поскольку он тише, полностью защищен от атмосферных воздействий и не содержит 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.

Паровозы требуют интенсивного обслуживания, смазки и чистки 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 рекламировала 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.

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. Благодаря дизельным локомотивам запасные части могут производиться серийно и храниться на складе, готовыми к использованию, а многие детали и узлы могут быть стандартизированы для всего парка оператора с использованием разных 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 значительно сокращает время нахождения локомотива в не приносящей доход эксплуатации при его эксплуатации. требует обслуживания.

Паровые двигатели требовали большого количества угля и воды, что представляло собой дорогостоящие переменные эксплуатационные расходы. Кроме того, тепловой КПД пара был значительно меньше, чем у дизелей. 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 поразительным КПД 26%.

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 технического прогресса автор обнаружил, что, если бы исследования паровой технологии вместо дизельного были продолжены, финансовая выгода от перехода на дизельное движение была бы незначительной.

К середине 1960-х годов тепловозы фактически заменили паровозы там, где не использовалась электрическая тяга. Попытки разработать передовые паровые технологии продолжаются и в 21 веке, но не дали существенного эффекта.

См. также

• Альтернативное топливо для дизельных двигателей
• Дизельный мультиагрегат
• Газотурбовоз
• Локомотив Хайльмана
• Гибридный электромобиль
• Внедорожный двигатель

Ссылки

Источники

• Чурелла, Альберт Дж. (1998). От пара к дизелю: управленческие обычаи и организационные возможности в американской локомотивной промышленности двадцатого века . Принстон, Нью-Джерси : Издательство Принстонского университета . ISBN  978-0-691-02776-0 .
• Пинкпанк, Джерри А. (1973). Руководство для второго дизельного корректировщика . Милуоки, Висконсин: Книги Калмбаха. ISBN  978-0-89024-026-7 .

Внешние ссылки

• Правительство США испытывает локомотив ГП38-2 на биодизельном топливе.
• Статья 1926 года «Дизель на железнодорожном транспорте на тепловозах».
• Тепловоз