Выпуск 6 (49). Электротепловоз, тяговый агрегат
Электротепловоз или теплоэлектровоз — локомотив, который может работать и в режиме электровоза, и в режиме тепловоза. В СССР применялись как на железных дорогах узкой колеи, так и на железных дорогах широкой колеи при разработке карьеров. В настоящее время используются в ЮАР, США и других странах. Не следует путать такие локомотивы с тепловозами с электрической передачей, которые раньше могли называться «электродизельлокомотив», «дизель-электровоз», а также с электровозами.
Тяговый агрегат — сцеплённые секции локомотивов управления и думпкаров, оборудованных тяговыми электродвигателями. Использование грузовых вагонов в качестве тяговых единиц позволяет в 2–3 раза увеличить сцепной вес и увеличить число гружёных вагонов в поезде. Благодаря таким свойствам, тяговые агрегаты получили широкое распространение на горнодобывающих предприятиях.
К началу 1950-х гг. горнодобывающей промышленности СССР требовались более сильные электровозы. К тому времени на карьерах работали электровозы со сцепной массой 70–90 тонн, в основном довоенной постройки, которые работали двойной тягой. В 1951 году из ГДР началась поставка шестиосных электровозов со сцепной массой 150 тонн, но они были относительно дороги. В 1957 году на Коркинском угольном карьере на базе обычного четырёхосного думпкара был создан моторный думпкар, который был сцеплен с электровозом IV-КП1. Сцепная масса возросла вдвое и это дало возможность электровозу работать на более крутых уклонах. Полученный состав стал первым в стране тяговым агрегатом. В 1964 году немецкий завод Lokomotivbau Elektrotechnische Werke (LEW) (близ Хеннигсдорфа) выпустил два электровоза постоянного тока EL2 с оборудованием для управления не только своими электродвигателями, но и электродвигателями прицепляемого к электровозу моторного думпкара, а также по одному моторному думпкару для этих электровозов. Одновременно завод начал выпуск дизель-электровозов EL10 для работы на линиях переменного тока с напряжением 10 кВ, изначально оснащённых оборудованием для управления двумя думпкарами. С каждым электровозом этой серии завод также поставлял в СССР по два моторных думпкара. Первые электровозы EL10 имели вагонную компоновку с одной кабиной управления по краю, более поздние локомотивы перешли на капотную компоновку с центральной кабиной, для чего высота кузова локомотива в зонах кроме кабины была снижена. Впоследствии завод выпускал для СССР модернизированные тяговые агрегаты серии EL20.
С 1967 года в СССР было начато серийное производство тяговых агрегатов на Днепропетровском электровозостроительном заводе. Первые тяговые агрегаты серии ПЭ2 предназначались для линий постоянного тока и включали один электровоз с центральным расположением кабины управления и два думпкара. Впоследствии данная модель стала базовой для всех тяговых агрегатов производства ДЭВЗ, и в 1972 году на её основе был построен тяговый агрегат ОПЭ2 для переменного тока со схожей конструкцией и аналогичной композицией, а в 1973 на его основе — дизель-электрический тяговый агрегат ОПЭ1А, включающий электровоз, дизельную бустерную секцию без кабины управления и моторный думпкар. Впоследствии заводом были созданы малосерийные дизель-электрические тяговые агрегаты ПЭ3Т и ОПЭ1Б повышенной мощности, сформированные по схеме электровоз + дизельная секция + моторный думпкар. Заводом был налажен крупносерийный выпуск тяговых агрегатов постоянного тока ПЭ2, ПЭ2м и ПЭ2у и переменного тока ОПЭ1А и ОПЭ1Ам, при этом ОПЭ1А со временем стали выпускаться без дизельной секции как электровозы с двумя думпкарами. С 1969 года на Новочеркасском заводе выпускались тяговые агрегаты переменного тока серии ОПЭ1, которые в отличие от агрегатов производства ДЭВЗ имели вагонную компоновку локомотива и состояли из двухсекционного электротепловоза с кабинами управления на каждуую секцию и одним моторным думпкаром. Локомотивы этой серии выпускались по 2002 год, часть из них была выпущена без моторных думпкаров. Начиная с 2003 года завод наладил производство тяговых агрегатов переменного тока НП1, состоящих из электровоза с центральным расположением кабины машиниста и двух моторных думпкаров.
Тепловоз — автономный локомотив c двигателем внутреннего сгорания, чаще всего дизельным, энергия которого через силовую передачу передается на колесные пары. Появившийся в 1924 году в СССР тепловоз стал как экономически выгодной заменой устаревшим низкоэффективным паровозам, так и дополнением появившимся в то же время электровозам, требующим существенных дополнительных затрат на электрификацию пути и рентабельным поэтому на магистралях со сравнительно большим грузо- и пассажиропотоком. За прошедший век в конструкции тепловоза было опробовано и внедрено множество усовершенствований: возросла мощность двигателя с нескольких сотен лошадиных сил до шести — двенадцати тысяч и выше, на разных типах тепловозов используются различные способы передачи энергии двигателя на движущие колёсные пары, значительно возросло удобство управления и обслуживания тепловоза, снизились выбросы в атмосферу. Тепловозы строятся и используются во всём мире.Дизельный двигатель тепловоза преобразует химическую энергию сгорания жидкого топлива или горючего газа (ТЭ4) в механическую энергию вращения коленчатого вала, от которого момент вращения, преобразуясь тяговой передачей, передается ведущим колесным парам. Назначение передачи — обеспечить оптимальный режим работы дизеля и максимальную силу тяги при любой скорости движения поезда любого веса. Дизель развивает максимальный крутящий момент при относительно высоких оборотах, максимальную мощность — на ещё более высоких оборотах. Локомотиву максимальная тяга необходима при трогании с места, то есть от нулевой скорости. В дальнейшем, по мере разгона поезда, тяга может существенно уменьшаться, то есть, локомотив должен иметь гиперболическую тяговую характеристику. Паровоз и электровоз постоянного тока, изначально обладая такой характеристикой, оказались просты в исполнении и эксплуатации и поэтому сразу получили широчайшее распространение. Для обеспечения же согласования характеристик дизеля как двигателя и локомотива как тяговой машины требуется передача. История создания тепловоза как локомотива, по сути, есть история создания передачи, согласующей характеристики дизеля как первичного двигателя и локомотива как тяговой машины.
В случае использования на тепловозе электрической передачи дизелем вращается тяговый генератор, преобразующий механическую энергию вращения дизеля в электрическую. Электрическая энергия передается тяговым электродвигателям (ТЭД), связанным механически с колесными парами. ТЭДы электроэнергию преобразуют в механическую энергию движения локомотива. При наличии индивидуального привода каждый ТЭД связан с одной колесной парой, при групповом — один ТЭД приводит несколько колесных пар. При использовании гидропередачи дизель приводит гидроагрегат, при механической — коробку перемены передач. К основным элементам конструкции тепловоза относятся кузов и рама, дизель — один или несколько, ударно-тяговые приборы, элементы передачи, ходовая (экипажная) часть — тележки и тормозное оборудование. К вспомогательным узлам — системы охлаждения и воздухоснабжения дизеля, песочная система, система пожаротушения, электрооборудование и т. д. При наличии газодизельного или газового двигателя на тепловозе имеется либо газогенераторная секция, либо оборудование для хранения сжиженного или сжатого природного газа с системой газоснабжения двигателя.
Тепловозы классифицируются на поездные, маневровые и промышленные. В свою очередь среди поездных, или магистральных, выделяют грузовые, пассажирские и грузопассажирские. Назначение тепловоза определяется его техническими характеристиками — так, для грузовых тепловозов важна в первую очередь значительная сила тяги, тогда как пассажирским нужна высокая скорость. Маневровые и промышленные локомотивы обычно используются для передвижения вагонов в пределах станции или на подъездных путях предприятий с малыми радиусами кривых. Именно поэтому большинство таких локомотивов — тепловозы, так как для работы на любых, в том числе неэлектрифицированных вспомогательных путях, важна автономность энергетической установки.
