Теплово́з — автономный локомотив,
первичным двигателем которого является двигатель внутреннего сгорания, обычно
дизель. Название дизель-электровоз иногда применяется для тепловозов с
электрической трансмиссией, но не является корректным, так как
дизель-электровозом также часто обозначают электровоз с системой автономного
хода на основе бортового дизель-генератора.
Появившийся в начале XX века тепловоз
стал экономически выгодной заменой как низкоэффективным устаревшим паровозам,
так и появившимся в то же время электровозам, рентабельным лишь на магистралях
со сравнительно большим грузо- и пассажиропотоком.
За прошедший век было опробовано и
внедрено множество усовершенствований в конструкции тепловоза: мощность дизеля
возросла с нескольких сотен, а то и десятков лошадиных сил до трёх тысяч и
выше, на разных типах тепловозов используются различные способы передачи
энергии двигателя на колёсные пары локомотива, значительно возросло удобство
управления и обслуживания тепловоза, снизились выбросы в атмосферу. Тепловозы
строятся и используются по всему миру.
Рис 14.2 – Тепловоз. 1
— дизель 2 — холодильная камера
3 — высоковольтная камера 4 — выпрямительная установка, 5 — тяговый
электродвигатель 6 — тяговый генератор 7
— стартер-генератор 8 — глушитель, 9 — бак для воды 10 — передняя кабина
машиниста 11 — задняя кабина машиниста
12—аккумуляторная батарея, 13 — топливный бак 14
— воздушный резервуар 15 — тележка 16 —
топливный насос, 17 — бункер песочницы 18 — колёсная пара 19 — метельник 20 — буфера
Дизельный двигатель тепловоза
преобразует химическую энергию сгорания жидкого топлива в механическую работу
вращения коленчатого вала, от которого вращение через тяговую передачу
передается главному генератору. К основным узлам тепловоза относится: кузов,
рама, ударно-тяговые приборы (автосцепное оборудование), ходовые части и
тормозное оборудование. К вспомогательным узлам — система охлаждения, система
воздухоснабжения, воздушная (тормозная) система, песочная система, система
пожаротушения и т. д. Главный генератор тепловоза преобразует механическую
энергию вращения дизеля в электрическую. Впоследствии электрическая энергия
главного генератора передается к тяговым электродвигателям, находящимся на
каждой оси колесных пар. Электродвигатели же электроэнергию преобразуют в
механическую энергию движения локомотива.
Зависимость силы тяги от скорости
движения является основной характеристикой тепловоза и называется тяговой
характеристикой. Для случая максимального использования мощности локомотива
график такой характеристики представляет собой гиперболу, в каждой точке
которой произведение силы тяги на скорость локомотива равно его максимальной
мощности.
При движении механическая энергия на
валу дизеля, как правило, сначала преобразуется в электрическую (тепловоз с
электропередачей) или энергию другого вида, а затем уже в механическую, которая
и вращает колёса. Цель такой передачи — обеспечить близкий к оптимальному режим
работы дизеля в разных точках графика тяговой характеристики локомотива.
Основной трудностью при попытках
соединить вал дизеля напрямую с колёсными парами является разгон тепловоза и
запуск дизеля. Делались попытки применить для этого сжатый воздух (то есть
дизель при трогании с места работал как пневматический двигатель), однако
запасов сжатого воздуха в баллонах не хватало для нормального разгона
локомотива.
Механическая
передача включает фрикционную муфту и коробку передач с
реверс-редуктором; она обладает малым весом и высоким КПД, однако при
переключении передач неизбежно возникают рывки. На практике её используют на
локомотивах малой мощности (мотовозах), дизель-поездах, дрезинах и
автомотрисах.
Более эффективной передачей стала электрическая, при которой вал дизеля
вращает якорь тягового генератора, питающего тяговые электродвигатели (ТЭД). В
свою очередь вращательное движение якоря ТЭД передаётся колёсной паре с помощью
осевого редуктора. Редуктор представляет собой соединённые зубчатые колёса,
располагающиеся на якоре ТЭД и оси колёсной пары. В случае электропередачи
поддерживается гиперболическая тяговая характеристика, когда увеличение
сопротивления движения вызывает увеличение силы тяги, а уменьшение — ускорение
локомотива. Электропередача позволяет соединять несколько секций тепловоза и
управлять ими по системе многих единиц из одной кабины. Минусом её является большая
масса и относительная дороговизна необходимого оборудования. В случае
электропередачи возможно использование электродинамического торможения, суть
которого заключается в использовании ТЭД в качестве генераторов, за счёт
сопротивления вращению вала якоря которых осуществляющих торможение тепловоза
(вырабатываемая электроэнергия гасится в тормозных резисторах). По сравнению с
пневматическими тормозами электродинамическое торможение более эффективно,
меньше износ тормозных колодок, снижается опасность юза колёсных пар.
Первоначально в тепловозах
использовалась передача постоянного тока, однако в дальнейшем (в СССР это был
конец 1960-х годов) передачу стали постепенно переводить на переменный ток.
Первоначально на переменном токе стал работать генератор, после которого ток
всё же выпрямлялся с помощью выпрямительной установки, далее поступая на ТЭД
постоянного тока. В СССР первыми серийными тепловозами с передачей
переменно-постоянного тока стали грузопассажирский экспортный ТЭ109,
пассажирский ТЭП70 и грузовой 2ТЭ116.
Первый в мире тепловоз с асинхронными
ТЭД переменного тока был построен компанией Brush Traction, а первым
отечественным опытом использования асинхронных ТЭД стал опытный тепловоз
ВМЭ1А[1]. Особенностью использования асинхронных ТЭД является необходимость
управления частотой питающего их напряжения для получения необходимой
характеристики. В 1975 году в СССР на базе тепловоза ТЭ109 был построен опытный
тепловоз ТЭ120 с электрической передачей переменного тока, где и генератор, и
ТЭД использовали переменный ток. Электрической передачей переменного тока
оснащён современный отечественный маневровый тепловоз ТЭМ21.
Использование генераторов и ТЭД
переменного тока позволяет увеличить их мощность, а также снизить массу,
повысить надёжность эксплуатации и упростить их обслуживание. Использование
асинхронных тяговых двигателей, ставшее возможным после появления
полупроводниковых тиристоров, значительно снижает возможность боксования
тепловоза, что позволяет уменьшить массу локомотива, сохраняя его тяговые свойства.
Даже в случае использования промежуточного выпрямительного блока применение
генератора переменного тока и асинхронных ТЭД оказывается экономически
оправданным. Передачи постоянного тока отличаются сравнительной простотой
конструкции и продолжают использоваться на тепловозах мощностью до 2000 л. с.
В гидравлической
передаче механическая энергия вала дизеля передаётся колёсной паре с
помощью гидравлического оборудования (гидромуфт и гидротрансформаторов). В
общем виде гидравлическое оборудование представляет собой комбинацию насосного
колеса, связанного с валом двигателя, и турбинного колеса, соединённого с осью
колёсной пары. Насосное и турбинное колесо находятся на небольшом расстоянии
друг от друга, а промежуток между ними заполнен жидкостью (маслом), передающей
энергию вращения насосного колеса турбинному. Регулировка передаваемого
крутящего момента осуществляется изменением количества рабочей жидкости (масла)
на лопатках насосного и турбинного колеса. Гидравлическая передача легче, чем
электрическая, не требует расхода цветных металлов, но обладает меньшим КПД. В
СССР применялась главным образом на маневровых тепловозах, а также на
магистральных тепловозах малой мощности (ТГ102, ТГ16, ТГ22).
На сегодняшний день самым мощным
тепловозом с гидропередачей является Voith Maxima 40CC (Англия) мощностью 3600
кВт (5000 л. с.).
Делались также попытки создания
тепловоза с воздушной и газовой передачей, однако они были признаны
неуспешными.
Охлаждение дизеля чаще всего
осуществляется при помощи воды, в свою очередь охлаждаемой в радиаторах,
обдуваемых вентиляторами. Система охлаждения называется холодильником. Масло
первоначально охлаждалось аналогичным образом, однако воздушное охлаждение
масла значительно менее эффективно и затратно с точки зрения применения меди.
Поэтому в дальнейшем на тепловозах стали использовать более компактный
водомасляный теплообменник, в котором масло охлаждается с помощью воды, также
охлаждаемой в воздушном холодильнике. Наддувочный воздух, поступающий в дизель,
также нуждается в охлаждении, поэтому часто используется двухконтурная система
охлаждения дизеля — в первом контуре вода охлаждает детали дизеля, а во втором
— наддувочный воздух и горячее масло. Более глубокое охлаждение второго контура
позволяет повысить надёжность и экономичность тепловозного дизеля.
По роду службы 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 на пассажирских упор делается на скорость.
Маневровые и промышленные локомотивы обычно используются для передвижения
вагонов в пределах станции или на подъездных путях предприятия. Именно поэтому
большинство таких локомотивов — тепловозы, так как для работы на любых, в том
числе неэлектрифицированных вспомогательных путях, важна автономность
энергетической установки.
Первые советские тепловозы обозначались
буквой серии паровоза схожей мощности, а верхний индекс указывал на тип
передачи. Например, ЩЭЛ, ЭМХ, ОЭЛ и т. п.
В наименованиях большинства серийных
тепловозов, производившихся в СССР, буквы обозначают следующее:
Т — тепловоз
Э — электрическая передача
Г — гидравлическая передача
П — пассажирский
М — маневровый
Стоящая впереди цифра обозначает
количество секций (например, 2ТЭ116 — тепловоз из двух секций. 4ТЭ10С —
четырехсекционный тепловоз). Отсутствие впереди цифры указывает на тепловоз из одной
секции. В наименованиях большинства магистральных тепловозов по номеру серии
можно определить и завод-изготовитель:
От 1 до 49 — Харьковский завод
транспортного машиностроения,
От 50 до 99 — Коломенский
тепловозостроительный завод,
От 100 и выше — Луганский
тепловозостроительный завод
Данная система обозначения сохранилась в
России, однако в других странах, входивших в СССР, она изменена. Связано это с
переводом обозначений на национальные языки.
В других странах обозначения серий
тепловозов устанавливаются либо железными дорогами (как в Англии и Франции),
либо фирмами-изготовителями (например, в США).
Не следует путать тепловоз с другими
видами локомотивов или МВПС.
Дизель-поезд (равно как и скоростные
дизель-поезда Flying Hamburger, поезда ICE TD системы Intercity-Express и
первые образцы TGV) — это самостоятельная разновидность моторвагонного
подвижного состава.
Электротепловоз — тип локомотива,
который может работать как в режиме тепловоза, так и в режиме электровоза (не
путать! Дизель-электровоз — тепловоз с электропередачей).
Газотурбовоз — локомотив с газотурбинным
двигателем.
Локомобиль — автомобиль, который
способен становиться на рельсы и осуществлять на них маневровые работы с
железнодорожными вагонами, а также выполнять вспомогательные работы, например
очистку путей от снега или погрузочно-разгрузочные работы при помощи крана.