Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Электрическая тяга»
Н. О. Фролов
О. И. Ветлугина
Д. Ю. Козаков

КОНСТРУКЦИЯ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
И ТЯГА ПОЕЗДОВ
Курс лекций
по дисциплине «Тяга поездов»,
для студентов специальности –
23.05.04 – «Эксплуатация железных дорог»
всех форм обучения
N. O. Frolov
O. I. Vetlugina
D. Y. Kozakov

CONSTRUCTION OF tractive rolling stock
AND TRACTION OF TRAINS
A course of lectures
on the discipline “Traction of trains”,
for students of the speciality
23.05.04 – “Operation of railways”
of all forms of study

Eкатеринбург
УрГУПС
2016

УДК 629.4.012
Ф91
Фролов, Н. О.
Ф91		 Конструкция тягового подвижного состава и тяга поездов : курс лекций /
Н. О. Фролов, О. И. Ветлугина, Д. Ю. Козаков. – Екатеринбург : УрГУПС, 2016. – 160 с.
Курс лекций по дисциплине «Тяга поездов» составлен в соответствии с учебным планом и предназначен для студентов специальности 23.05.04 – «Эксплуатация железных дорог». Рассмотрены основные вопросы конструкции тягового подвижного состава и принципы работы его основных узлов, способы регулирования скорости движения, сведения об
электроснабжении электрических железных дорог, а также основы тяги поездов и производства тяговых расчетов. Курс лекций оформлен с соблюдением требований ГОСТ 2.105–
95 ЕСКД «Общие требования к текстовым документам» и предназначен для студентов указанной специальности очной и заочной форм обучения.
A course of lectures on the discipline “Traction of trains” is completed in accordance with the academic plan and intended for the students of the speciality 23.05.04 – “Operation of railways”.
The main questions of tractive rolling stock and operational principles of its basic elements, method of speed regulation, information about electric power supply of electric railways and main rolling stock tractions and production of tractive calculation are reviewed. A course
of lectures is designed in accordance with the requirements of State Standard 2.105–95
“General requirements to the text documents” and intended for the students of stated speciality of
full-time and extramural forms of study.
УДК 629.4.012

Издано по решению
редакционно-издательского совета университета
Авторы:	Н. О. Фролов, доцент кафедры «Электрическая тяга», канд. техн. наук,
УрГУПС
	О. И. Ветлугина, ст. преподаватель кафедры «Электрическая тяга»,
УрГУПС
	Д. Ю. Козаков, ассистент кафедры «Электрическая тяга», УрГУПС
Рецензенты: К. А. Стаценко, доцент кафедры «Электрическая тяга», канд. техн.
наук, УрГУПС

А. Н. Антропов, старший научный сотрудник Уральского отделения
АО «ВНИИЖТ», канд. техн. наук
Учебное издание
Фролов Николай Олегович
Ветлугина Ольга Ивановна
Козаков Дмитрий Юрьевич
КОНСТРУКЦИЯ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ТЯГА ПОЕЗДОВ
Редактор С. И. Семухина
Верстка Н. А. Журавлевой
Подписано в печать 10.05.2016. Формат 60х84/16.
Усл. печ. л. 9,3. Тираж 115 экз. Заказ 268.
УрГУПС
620034, Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

© Уральский государственный университет путей
сообщения (УрГУПС), 2016

Оглавление

Введение...........................................................................................................6
1 История развития локомотивной тяги.........................................................8
1.1 Развитие паровой тяги и железных дорог............................................8
1.2 Развитие электрической тяги............................................................. 10
1.3 Развитие тепловозной тяги................................................................. 13
2 Классификация подвижного состава и виды тяги..................................... 16
2.1 Структурная схема подвижного состава............................................ 16
2.2 Автономная и неавтономная тяга...................................................... 18
3 Электроподвижной состав. Разновидности, конструктивные схемы
и технические параметры............................................................................ 21
3.1 Классификация электроподвижного состава.................................... 21
3.2 Грузовые электровозы........................................................................ 23
3.3 Пассажирские электровозы................................................................ 30
3.4 Маневровые и промышленные электровозы.................................... 32
3.5 Электропоезда..................................................................................... 34
3.6 Тяговые агрегаты................................................................................ 36
3.7 Применение индексов в системе обозначения ЭПС........................ 37
4 Основные законы и уравнения электротехники, применяемые
в электрической тяге................................................................................... 39
4.1 Характеристики электрического поля............................................... 39
4.2 Основные законы и уравнения электротехники............................... 41
4.3 Характеристики магнитного поля...................................................... 42
4.4 Закон электромагнитной индукции................................................... 44
4.5 Конструкция и принцип действия трансформатора......................... 45
5 Конструкция и принципы управления ЭПС............................................. 47
5.1 Основы конструкции ЭПС................................................................. 47
5.2 Особенности конструкции и принципы управления ЭПС
постоянного тока с тяговыми двигателями постоянного тока......... 54
5.3 Особенности конструкции и принципы управления ЭПС
постоянного тока с тяговыми двигателями переменного тока......... 61
3

5.4 Особенности конструкции и принципы управления ЭПС
переменного тока с тяговыми двигателями постоянного тока......... 64
5.5 Особенности конструкции и принципы управления ЭПС
переменного тока с тяговыми двигателями переменного тока......... 69
5.6 Тяговая характеристика ЭПС............................................................. 71
6 Принцип действия и конструкция электродвигателя постоянного тока....73
6.1 Условия работы тяговых электродвигателей
и требования, предъявляемые к ним................................................. 73
6.2 Принцип действия тягового электродвигателя постоянного тока... 74
6.3 Конструкция тягового двигателя постоянного тока......................... 77
6.4 Конструктивные отличия двигателя пульсирующего тока............... 81
7 Конструкция и принципы управления тепловозов
и дизель-поездов............................................................................................ 82
7.1 Виды передач мощности тепловозов и дизель-поездов.................... 82
7.2 Конструктивные схемы и система обозначения тепловозов
и дизель-поездов................................................................................. 84
7.3 Особенности конструкции и принципы управления тепловозов
с электрической передачей.................................................................89
7.4 Особенности конструкции и принципы управления тепловозов
с гидравлической передачей............................................................... 93
8 Электроснабжение электрифицированных
железных дорог............................................................................................... 97
8.1 Общая схема электроснабжения участка электрической
железной дороги................................................................................. 97
8.2 Устройство тяговой сети .................................................................... 99
9 Физическая модель поезда........................................................................ 103
9.1 Силы, действующие на поезд........................................................... 103
9.2 Сила тяги........................................................................................... 106
9.3 Сила сопротивления движению поезда........................................... 111
9.4 Тормозная сила поезда при механическом торможении................ 116
9.5 Диаграмма удельных сил поезда...................................................... 120
9.6 Сила инерции поезда........................................................................ 121
9.7 Физическая модель поезда............................................................... 122
10 Математическая модель поезда.............................................................. 124
10.1 Основное уравнение движения поезда.......................................... 124
10.2 Математическая модель процесса движения поезда..................... 126
4

10.3 Блок-схема математической модели
процесса движения поезда.............................................................. 128
10.4 Интегрирование основного уравнения движения поезда............. 130
11 Тяговые расчеты...................................................................................... 133
11.1 Постановка задачи.......................................................................... 133
11.2 Определение расчетной массы состава.......................................... 133
11.3 Построение диаграммы основных удельных
результирующих сил поезда........................................................... 138
11.4 Решение тормозной задачи............................................................ 139
11.5 Построение кривых движения поезда............................................ 143
11.6 Оценка полученных результатов.................................................... 149
11.7 Использование результатов тяговых расчетов............................... 150
12 Организация эксплуатации локомотивов .............................................. 151
12.1 График движения поездов.............................................................. 151
12.2 Способы обслуживания поездов локомотивами........................... 152
12.3 Оборот электровоза......................................................................... 154
12.4 График оборота локомотивов......................................................... 155
12.5 Показатели использования локомотивов...................................... 157
Библиографический список........................................................................ 160

5

Введение

Цель освоения предлагаемого курса лекций – изучение структуры,
функций локомотивного хозяйства и основ организации его работы,
изучение принципов работы и основ конструкции тягового подвижного состава и устройств электроснабжения железных дорог, правил
производства тяговых расчетов участков железных дорог.
Курс лекций предназначен для студентов специальности «Эксплуатация железных дорог» и закрывает компетенцию ПК-5 федерального государственного образовательного стандарта по указанной специальности в части способности осуществлять экспертизу технической
документации, надзор и контроль состояния и эксплуатации подвижного состава, выявлять резервы, устанавливать причины неисправностей
и недостатков в работе, принимать меры по их устранению и повышению эффективности использования. В результате освоения лекционного курса студенты будут знать тяговый подвижной состав, его устройство; основы тяговых расчетов.
Материал лекций излагается по принципу от простого к более сложному и ориентирован на студентов, не имеющих специальной подготовки. Поясняется физический смысл различных явлений и процессов.
Описание устройства и работы систем подвижного состава дано в объеме, необходимом для понимания назначения и принципа действия.
В курс лекций включены материалы, посвященные следующим
вопросам: история развития локомотивной тяги; классификация тягового подвижного состава, система обозначений и характеристики; принцип действия и конструкция тягового электродвигателя;
конструкция и принципы управления электроподвижного состава постоянного и переменного тока; способы регулирования скорости движения; конструкция и принципы управления тепловозов
и дизель-поездов; электроснабжение электрических железных дорог;
процессов образования и расчета сил, действующих на поезд, математического моделирования движения поезда с решением основного
уравнения движения поезда, а также тяговые расчеты железнодорожного участка. Кроме того, для более полного понимания рассматриваемых процессов студентам предлагается краткая лекция об основных определениях, уравнениях и законах электротехники.
6

Необходимыми условиями успешного освоения предлагаемого курса лекций являются систематическая самостоятельная работа студентов и «обратная связь» с преподавателем на лекционных
и практических занятиях. Такой подход к изучению дисциплины
будет способствовать развитию творческих способностей, навыков
и формированию слушателя как высококвалифицированного специалиста.

7

1 История развития локомотивной тяги

1.1 Развитие паровой тяги и железных дорог
В сентябре 1825 г. первый паровой поезд прошел в Англии по линии Стоктон – Дарлингтон протяженностью 21 км, которая и считается первой железной дорогой общего пользования, построенной
для регулярной перевозки грузов и пассажиров.
Одновременно с работами, которые проводились на Западе, и независимо от них опыты по созданию паровоза проводились в России. Первый паровоз (рисунок 1.1) был построен в 1833–1834 гг. на
Нижнетагильском заводе талантливым механиком крепостным Ефимом Алексеевичем Черепановым и его сыном Мироном Ефимовичем. Ими же была построена в 1834 г. первая рельсовая дорога длиной 800 м, на которой работал этот паровоз.

Рисунок 1.1 – Паровоз Черепановых

Первая железная дорога общего пользования в России была построена в 1836 –1938 гг. между Санкт-Петербургом и Царским Селом
протяженностью в 26,7 км по указу императора Николая I: «Его Им8

ператорское Величество изволил изъявить Высочайшее соизволение
на учреждение общества акционеров для сооружения железной дороги от Санкт-Петербурга до Царского Села». Торжественное открытие
этого участка состоялось 30 октября 1837 г. В первом поезде из 8 вагонов ехали Николай I и его приближенные. На отдельных участках
поезд развивал высокую по тем временам скорость – около 60 км/ч.
Представляет интерес темп строительства железных дорог в России с начала их зарождения. По некоторым источникам, общая протяженность железных дорог России на 1 января 1914 г. составляла
75 900 км. Железнодорожное строительство осуществлялось не только в европейской части России, где к концу 1900 г. протяженность
сети превысила 40 000 км, но и в малонаселенных, в то время экономически еще не развитых районах Сибири, Средней Азии и Дальнего Востока.
С увеличением сети железных дорог в России развивалось и паровозостроение. Первый грузовой паровоз был построен в 1846 г.
в Санкт-Петербурге на Александровском заводе.
Благодаря высокому уровню теоретических разработок и экспериментальных исследований выдающихся русских инженеров и конструкторов были созданы мощные и экономичные для своего времени паровозы СУ, ЭМ, ЭР, ФД, ФДП, СО. Так, паровоз ФД, созданный
в 1931 г., был самым мощным в Европе.
К 1940 г. наша страна имела мощные и надежные паровозы. Мощность в длительном режиме достигала 2200 кВт, сила тяги – 230 кН,
конструкционная скорость основных типов грузовых паровозов была
доведена до 80–90 км/ч, пассажирских – до 125 км/ч.
В годы Великой Отечественной войны материально-техническая
база железнодорожного транспорта обеспечила потребные перевозки и показала свою жизнеспособность в тяжелейших условиях эксплуатации.
Но в послевоенное время резко возрос грузооборот отечественных железных дорог, что было связано с восстановлением народного хозяйства страны. Паровая тяга, имея определенные ограничения
по своим физико-техническим и экономическим возможностям, уже
не обеспечивала растущую перевозочную работу. Даже предельно достигнутая мощность паровозов была недостаточной для вождения поездов с повышенной массой. Эксплуатационный коэффициент полезного действия паровозов не превышал 4…5 %.
Назрела необходимость замены паровозов более производительными и экономичными локомотивами.
9

1.2 Развитие электрической тяги
1.2.1 Электровозы первого поколения
В 1932 г. московским заводом «Динамо» был спроектирован и построен первый грузовой электровоз ВЛ19. Этот электровоз имел осевую формулу 3о + 3о, был рассчитан на напряжение в контактной сети
3000 В постоянного тока и максимальную скорость движения 75 км/ч.
Позже был построен пассажирский электровоз ПБ-21.
В 1938 г. был построен шестиосный электровоз постоянного тока
ВЛ22 с улучшенной экипажной частью, с рекуперативным торможением. В 1947 г. осваивается серийное производство электровоза
ВЛ22м, который имел более мощные двигатели. Серийный выпуск
этого локомотива продолжался до 1956 г.
На особо грузонапряженных и трудных по профилю участках шестиосные электровозы не могли обеспечить возросший объем перевозок. Назрела необходимость создания восьмиосного электровоза. В 1953 г. был создан опытный образец восьмиосного электровоза
ВЛ8. Общая мощность ВЛ8 по сравнению с ВЛ22м возросла на 75 %.
Перечисленные электровозы постоянного тока выпускали до 1967 г.
Внедрение электровозов первого поколения обеспечило значительное увеличение объема перевозок. Коэффициент полезного действия у электровозов постоянного тока достигал 89 %, а переменного – 84 %.

1.2.2 Электровозы второго поколения
Длительная эксплуатация электровозов первого поколения позволила выявить их недостатки, разработать и создать систему технического содержания, подготовить квалифицированные кадры локомотивных бригад и ремонтного персонала.
В связи с обнаруженными недостатками электровозов первого
поколения возникла необходимость совершенствования конструкции, характеристик электровозов для повышения тяговых качеств,
мощности и силы тяги, повышения надежности неустойчиво работающих узлов.
С 1962 г. Новочеркасский электровозостроительный завод приступил к выпуску шестиосных электровозов переменного тока ВЛ60.
Создание электровозов переменного тока открыло широкие возможности по дальнейшему увеличению мощности локомотивов и, в конечном счете, пропускной способности железных дорог.
10

При конструировании восьмиосных электровозов второго поколения постоянного тока ВЛ10 и переменного тока ВЛ80, созданных
в 1961 г., применено много прогрессивных конструктивных решений, обеспечивающих высокий технический уровень эксплуатации.
С 1976 г. начался выпуск электровозов ВЛ10у, имеющих более высокие показатели силы тяги, нагрузки от колесной пары на рельс.
На основе электровоза ВЛ10 Тбилисским электровозостроительным заводом разработан и создан электровоз ВЛ11, который может
работать в двух- и трехсекционном исполнении по системе многих
единиц. С 1976 г. электровоз ВЛ11 принят к серийному производству.
Грузовые восьмиосные двухсекционные электровозы переменного тока ВЛ80 явились крупным шагом на пути совершенствования электровозов. В начале серийного производства на электровозах
ВЛ80 были установлены кремниевые выпрямители, и серия получила обозначение ВЛ80к. В дальнейшем на электровозе ВЛ80 было внедрено реостатное торможение, и серия получила обозначение ВЛ80т.
С внедрением переменного тока встал вопрос о стыковании разных систем тяги. Электровоз, способный работать под контактным
проводом с напряжением 25 кВ переменного и 3 кВ постоянного
тока, был создан Новочеркасским электровозостроительным заводом в 1966 г. и имел обозначение ВЛ82. В 1972–1974 гг. выпущены электровозы ВЛ82м, имеющие более мощные двигатели, более
надежные вспомогательные машины и др.
С 1963 по 1973 г. из Чехословакии в нашу страну поставляли пассажирские электровозы постоянного (ЧС2, ЧС2т, ЧС6, ЧС7, ЧС200)
и переменного (ЧС4, ЧС4т, ЧС8) тока.
Много прогрессивных научно-технических решений было реализовано в конструкции электровоза переменного тока ВЛ80р, впервые
изготовленного в 1967 г. Новочеркасским электровозостроительным
заводом. По сравнению с электровозами ВЛ80к и ВЛ80т электровозы ВЛ80р имеют значительные отличия в схемах и оборудовании, системе управления (с преимущественным использованием бесконтактных аппаратов), что позволило увеличить тяговые и тормозные
силы, повысить удобство управления и, главное, практически реализовать возможность возврата электрической энергии (рекуперации)
в тяговую сеть переменного тока.

1.2.3 Электровозы третьего поколения
Научно-технический прогресс и связанное с ним дальнейшее
совершенствование электровозов обусловили появление третьего
11

поколения, ярким представителем которого является электровоз
ВЛ85, разработанный Новочеркасским заводом.
Двенадцатиосный электровоз переменного тока ВЛ85 предназначен для вождения тяжеловесных поездов в районах, для которых характерны широкий диапазон колебаний температуры окружающего
воздуха, значительная высота над уровнем моря, высокая влажность,
сильные ветры, затяжные подъемы и спуски с крутизной до 18 ‰.
В настоящее время отечественная промышленность в серийном
масштабе освоила производство новых электровозов, выполненных
на современной элементной базе:
– грузовой электровоз переменного тока 2ЭС5К «Ермак», который заменяет отслужившие свой срок электровозы серии ВЛ80 всех
индексов и электровозы ВЛ85;
– грузо-пассажирский электровоз переменного тока Э5К для замены морально устаревших электровозов серии ВЛ60к;
– пассажирские электровозы переменного тока ЭП1М, ЭП1П
для замены отслуживших свой срок электровозов серии ЧС4 всех
индексов;
– грузовые электровозы постоянного тока 2ЭС4К «Дончак»
и 2ЭС6 «Синара» для замены отслуживших свой срок электровозов
серий ВЛ10, ВЛ11 и ВЛ15 всех индексов;
– пассажирский электровоз постоянного тока ЭП2К для замены отслуживших свой срок электровозов серии ЧС2 всех индексов.

1.2.4 Электровозы четвертого поколения
Появление на мировом рынке сильноточных полупроводниковых
полностью управляемых приборов, рассчитанных на работу в цепях
до 6000 В, позволило в серийном масштабе начать производство электровозов с инверторным тяговым приводом, которые отличаются от
локомотивов предыдущих поколений высокой энергоэффективностью и реализуемой тяговой мощностью. В России в рамках тесного
сотрудничества с машиностроительными компаниями Европейского союза и Канады были созданы пассажирский электровоз двойного
питания ЭП20 «Олимп», самый мощный на сети ОАО «РЖД» грузовой электровоз постоянного тока 2ЭС10 «Гранит», грузовые электровозы переменного тока 2ЭС5 «Скиф» и двойного питания 2ЭВ120
«Князь Владимир». Из них серийно на Российские железные дороги
поставляются электровозы «Олимп» и «Гранит».

12

1.2.5 Электропоезда
Наиболее эффективным видом транспорта в пригородном сообщении всегда являлись электропоезда.
Первая электросекция Ср была построена в 1947 г., и на протяжении более десяти лет такие электропоезда успешно обеспечивали
пригородные перевозки. Но невысокая конструкционная скорость,
недостаточное ускорение и замедление поезда, а также необходимость повышения комфорта для пассажиров требовали создания более совершенного электропоезда.
С 1957 г. на рижских заводах РВЗ и РЭЗ начали выпускаться электропоезда ЭР1, состоящие из 10 вагонов (два головных, пять моторных
и три прицепных). С 1962 г. начинается выпуск более совершенных
электропоездов постоянного тока серии ЭР2 и переменного тока ЭР9.
В 1960-х гг. были созданы восьмивагонные электропоезда постоянного тока ЭР22 с улучшенными эксплуатационными качествами,
рекуперативно-реостатным тормозом (ЭР22В).
В 1980 г. началась эксплуатация скоростного междугородного
электропоезда ЭР200.
В настоящее время на сети ОАО «РЖД» эксплуатируются отечественные электропоезда с коллекторным тяговым приводом серий
ЭТ2М, ЭД2Т, ЭД4М, ЭД9Т, ЭД9М, ЭД9Э. В конструкции этих электропоездов в основном применены технические решения, отработанные на рижских электропоездах.
В рамках развития отечественного скоростного и высокоскоростного сообщения у Германии были закуплены электропоезда ЭВС1,
ЭВС2 «Сапсан» и ЭС1 «Ласточка», у Италии электропоезд двойного питания Sm6 «Аллегро», совместно с компанией Siemens организовано производство скоростных электропоездов постоянного тока
серии ЭС2Г «Ласточка». Все электропоезда имеют современный инверторный тяговый привод.

1.3 Развитие тепловозной тяги
1.3.1 Тепловозы первого поколения
Первый в мире локомотив с двигателями внутреннего сгорания
был создан в России в 1924 г. Этот тепловоз имел серию Щэл1. В тот
же период по проектам русских инженеров на заводах Германии были
построены тепловозы Ээл2 с электрической передачей и Эмх3 с меха13

нической передачей. Эти серии тепловозов прошли эксплуатационные испытания, в процессе которых были выявлены и частично
устранены их конструктивные недостатки.
В 1927–1935 гг. было спроектировано и построено несколько типов магистральных и маневровых тепловозов (Оэл6, Оэл7, Оэл10, Ээл5
и др.), в значительных размерах выпускались мотовозы и автодрезины различного назначения.

1.3.2 Тепловозы второго поколения
В 1940 – 1950-х гг. был освоен выпуск тепловозов серий ТЭ1, ТЭ2,
ТЭ3, ТЭ10, 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М.
В 1960 г. Коломенский завод приступил к серийному производству пассажирских тепловозов ТЭП60.
В это же время на ряде тепловозостроительных заводов был налажен выпуск маневровых тепловозов.
Тепловозы второго поколения отличались более совершенными
характеристиками по сравнению с первым поколением. В этих тепловозах были устранены недостатки их предшественников, качественно улучшались их характеристики.

1.3.3 Тепловозы третьего поколения
Тепловозы третьего поколения – это надежные и мощные локомотивы, на которые ставятся современный четырехтактный дизель
с турбонаддувом и электрическая передача переменно-постоянного тока. Типичными представителями этого поколения являются:
– двухсекционные тепловозы украинской постройки серии
2ТЭ116 и отечественной – серии 2ТЭ25К, составляющие с тепловозами серии 2ТЭ10 основу парка грузовых тепловозов;
– пассажирские тепловозы серии ТЭП70.
Тепловозы 2ТЭ25КМ будут постепенно заменять морально устаревшие тепловозы 2ТЭ10 всех индексов и отслужившие свой срок
тепловозы 2ТЭ116. Для замены физически изношенных тепловозов
ТЭП70 запущен в серийное производство новый тепловоз ТЭП70БС.

1.3.4 Тепловозы четвертого поколения
Решения, применяемые в конструкции тепловозов четвертого поколения, направлены, главным образом, на повышение их энергоэффективности и энергосбережения, это наличие:
14

– электрической передачи переменно-переменного тока;
– гибридной силовой установки.
В передаче переменно-переменного тока применяются простые
по конструкции и надежные асинхронные тяговые двигатели, но
при этом усложняется система управления тепловоза, она становится полностью электронной.
Под гибридной силовой установкой понимается тандем дизеля
и накопителя энергии, им может быть батарея конденсаторов большой емкости или мощных аккумуляторов. Накопитель энергии может работать постоянно, тогда ставят дизель меньшей мощности,
либо временно, тогда дизель является основным элементом силовой
установки, а накопитель подключается для временного повышения
мощности тепловоза.
В России к тепловозам четвертого поколения можно отнести грузовой тепловоз 2ТЭ25А и маневровый ТЭМ9h.

15

2 Классификация подвижного состава и виды тяги

2.1 Структурная схема подвижного состава
Подвижной состав можно представить в трех крупноблочных
группах:
– локомотивы, или тяговый подвижной состав (ТПС);
– автомотрисы, дрезины и железнодорожная техника специального назначения, которые в совокупности называются самоходным
нетяговым подвижным составом (СНПС);
– вагоны, или несамоходный подвижной состав (НПС).
Каждая из групп классифицируется по различным признакам на
более мелкие блоки. На рисунке 2.1 изображена структурная схема
классификации подвижного состава с подробным разбиением группы «Локомотивы» на ряд блоков.
Локомотивы представляют собой самоходные транспортные средства, свободные перемещения которых ограничиваются рельсовой
колеей. Основное назначение локомотива – создание и реализация
необходимой мощности, расходуемой на тягу поезда и преодоление
сил сопротивления движению поезда, поэтому локомотивы называются также тяговым подвижным составом.
Во вторую группу подвижного состава входит самоходный нетяговый подвижной состав, к которому относятся дрезины, автомотрисы
и железнодорожная техника специального назначения. Дрезины –
наиболее простейший по конструкции вид самоходного подвижного состава – могут иметь открытый кузов и характеризуются применением непосредственного механического привода, который может
быть ручным или моторизованным. Автомотрисы всегда изготовляются с закрытым кузовом, оснащаются автономной силовой установкой (карбюраторный или дизельный двигатель) и могут иметь
как непосредственный механический привод (трансмиссию), так
и промежуточную гидравлическую или электрическую передачу.
К железнодорожной технике спецназначения относят разнообразные виды путевых машин, ж.-д. кранов, строительной ж.-д. техники, которые оснащены средствами для самостоятельного перемещения по железным дорогам.
16

Подвижной состав
Локомотивы (ТПС)

Автономные

Дизельные
Тепловозы

Самоходный нетяговый
подвижной состав (СНПС)

Неавтономные

Газотурбинные
Газотурбовозы

Дизель-поезда

Автомотрисы

Вагоны (НПС)

Дрезины

Специальная ж.-д.
техника

Бензиновые

Паровые

Электрические

Мотовозы

Паровозы

Электропоезда

Электровозы

Тяговые
агрегаты

Рисунок 2.1 – Структурная схема классификации подвижного состава

Невысокая реализуемая мощность и особенности конструктивного исполнения дрезин и автомотрис исключают их применение для
тяги поездов. Обладая автономной силовой установкой, небольшими габаритами и малой осевой нагрузкой, дрезины и автомотрисы
идеально подходят для работы на малодеятельных линиях для быстрой доставки людей и небольшого количества грузов до места назначения. На магистральных линиях дрезины и автомотрисы применяются для доставки путейских бригад к месту работы, ремонтников
к месту аварии, а также для служебных поездок. Специальная самоходная железнодорожная техника в ряде случаев может применяться для тяги специальных составов, при этом тяговые параметры выбираются в соответствии со спецификой их основного назначения.
К третьей группе подвижного состава относятся вагоны. По назначению вагоны делятся на пассажирские и грузовые, последние при
этом в зависимости от специфики перевозимых грузов имеют десятки разновидностей. В целом все железнодорожные вагоны называются несамоходным подвижным составом.

17

2.2 Автономная и неавтономная тяга
По наличию или отсутствию на локомотиве первичного источника энергии локомотивы делят на автономные и неавтономные (см.
рисунок 2.1).
Автономные локомотивы имеют внутренний первичный источник энергии (энергоносители), которая, проходя несколько ступеней преобразования, превращается в механическую энергию поезда.
Это означает, что для полноценной работы автономных локомотивов не требуется внешних источников энергии, они могут работать
везде, где уложены рельсовые пути.
В качестве первичного источника энергии для автономных локомотивов используется углеводородное топливо. Для тепловозов
и дизель-поездов – это дизтопливо или природный газ, для газотурбовозов – газообразное или жидкое топливо (например, мазут), для
мотовозов – бензин, для паровозов – уголь или нефть.
Чтобы химическую энергию углеводородного топлива превратить
в механическую энергию движения поезда, требуются преобразовательные устройства, при этом процесс преобразования может занимать две ступени (мотовозы и паровозы) или три ступени (тепловозы, дизель-поезда и газотурбовозы).
Разберем процесс преобразования химической энергии топлива
в механическую на паровозах (рисунок 2.2). Главными элементами силовой установки паровоза являются топка и паровой котел, которые представляют собой один большой преобразователь химической энергии топлива в водяной пар определенного давления и температуры. Энергия
водяного пара, поступая в цилиндры, преобразуется в механическую
энергию возвратно-поступательного перемещения штока и через кривошипно-шатунный механизм (КШМ) передается колесным парам.

Уголь
или нефть

Топка и паровой
котел

Водяной пар

Паровые
цилиндры
и КШМ

Механическая энергия
на ободе колеса

Рисунок 2.2 – Структурная схема преобразования энергии на паровозе

Аналогичную цепь преобразования энергии можно наблюдать на
мотовозах – локомотивах особо малой мощности, предназначенных
для тяги поездов небольшого веса и длины главным образом на уз18

коколейных железных дорогах, где вместо угля и нефти применяется бензин, вместо топки и парового котла – двигатель внутреннего
сгорания, вместо водяного пара – газовая смесь продуктов сгорания
бензина, вместо КШМ – трансмиссия.
Трехступенчатое преобразование энергии рассмотрим на примере
тепловоза на рисунке 2.3. Химическая энергия дизтоплива в дизеле
преобразуется в газообразные продукты сгорания высокой температуры и давления, энергия которых через поршень и КШМ передается на выходной вал (I ступень). На II ступени преобразования механическая энергия вращения вала дизеля через муфту передается
промежуточному преобразовательному узлу (ППУ), роль которого
играет либо электрогенератор, либо гидротрансформатор. В первом
случае механическая энергия дизеля преобразуется в электрическую,
во втором – в энергию движения жидкости. На III ступени происходит преобразование энергии на выходе ППУ в механическую энергию движения поезда. Если тепловоз оборудован электрической передачей, преобразование реализуется тяговыми электродвигателями
(ТЭД), если гидравлической – осевыми редукторами.
ЭлектроДизель Механическая генератор Электро- ТЭД
Диз.
энергия
энергия
топливо
энергия

Механическая
энергия поезда

Рисунок 2.3 – Структурная схема преобразования энергии
на тепловозе с электрической передачей

Неавтономные локомотивы не имеют собственных первичных
источников энергии. Это означает, что для создания и реализации
силы тяги неавтономным локомотивам требуется не просто наличие рельсовой цепи, а наличие тяговой сети. Тяговая сеть объединяет внешние источники энергии с ее потребителями, т. е. с локомотивами, которые непосредственно преобразуют ее в механическую
энергию движения поезда.
К неавтономным локомотивам относят некоторые виды электроподвижного состава, например магистральные электровозы. Магистральные электровозы оборудованы ТЭД, которые преобразуют поступающую из тяговой сети электрическую энергию в механическую.
Подвод электроэнергии к электровозу от внешнего источника осуществляется через контактную сеть, проходящую параллельно железнодорожным путям, а отвод – через рельсовую цепь (рисунок 2.4).
19

Контактная сеть
Тяговая
подстанция

Контактная сеть
Тяговая
подстанция

Электровоз

Рельсовая цепь

Рельсовая цепь

Рисунок 2.4 – Структурная схема тяговой сети

Внешними источниками энергии в тяговой сети являются тяговые
подстанции, которые через линии электропередач (ЛЭП) связаны
с электростанциями единой энергетической сети (ЕЭС) страны –
первичными источниками энергии. Тяговые подстанции преобразуют электроэнергию, передаваемую по ЛЭП, в электроэнергию, пригодную для тяги поездов.

20

3 Электроподвижной состав. Разновидности,
конструктивные схемы и технические параметры

3.1 Классификация электроподвижного состава
Электроподвижной состав (ЭПС) – это локомотивы, непосредственно преобразующие поступающую из тяговой сети или от собственных источников электрическую энергию в механическую энергию движения поезда. Принципиальным отличием ЭПС от других
видов локомотивов является применение в качестве преобразователей поступающей энергии в механическую энергию тяговых электродвигателей.
К ЭПС относят электрические локомотивы, которые по роду деятельности и особенностям конструкции делят на электровозы, электропоезда и тяговые агрегаты (см. рисунок 2.1). Рассмотрим каждый вид ЭПС.
Электровозы – это, как правило, неавтономный вид ЭПС, предназначенный для нераспределенной тяги поездов, когда локомотив
ставят в голове поезда. В условиях грузового и маневрового движения могут применяться подталкивающие локомотивы, тогда электровоз ставится в хвосте поезда. В соединенных поездах электровозы ставят в голове и в середине состава. Рассмотрим классификацию
электровозов по роду деятельности (рисунок 3.1) и по роду питания
(рисунок 3.2).
Электровозы

Маневровые

Магистральные

Пассажирские

Грузовые

Электротягачи
Карьерные

Промышленные

Рудничные
Коксотушильные

Рисунок 3.1 – Классификация электровозов по назначению
21

Электровозы

Постоянного тока

Переменного тока

Двойного питания

Многосистемные

Рисунок 3.2 – Классификация электровозов по роду питания

Магистральные электровозы – это электровозы, предназначенные для вождения поездов на перегонных участках железных дорог, связывающих между собой крупные транспортные узлы. Поезда, следуемые по магистралям, разделяются на два крупных класса:
пассажирские и грузовые, каждый из которых включает ряд категорий. Например, пассажирские поезда делятся на скоростные, скорые дальние, скорые местные, пассажирские дальние, пассажирские
местные и пригородные.
Несмотря на то, что грузовые и пассажирские поезда курсируют по одним и тем же железнодорожным путям, вождение грузовых
и пассажирских поездов имеет свои особенности и специфику, что
обусловливает индивидуальные подходы к выбору конструктивных
параметров и тяговых характеристик локомотивов, предназначенных для грузового и пассажирского движения.
Маневровые электровозы предназначены для вождения поездов
в пределах одной станции или одного железнодорожного узла. В пределах одной станции маневровые локомотивы выполняют работы по
переформированию составов, подаче поездов под магистральные локомотивы, маневрам подвижного состава на деповских путях и т. д.
В пределах железнодорожного узла маневровые электровозы могут
привлекаться для вывозной и передаточной работы.
Промышленные электровозы предназначены для эксплуатации на
вневедомственных железных дорогах и могут выполнять большой перечень работ:
– маневровая работа на подъездных путях промышленных предприятий (маневрово-промышленные электровозы);
– поездная и вывозная работа на рудничных железных дорогах,
карьерах и открытых горных разработках (рудничные и карьерные
электровозы);
– перемещение вагонов с коксом между коксовыми печами и тушильной башней (коксотушильные электровозы);
– для тяги поездов на автоматизированных пунктах углепогрузки (маневровые тягачи).
22

Электроэнергия в тяговой сети может иметь различные параметры,
в соответствии с которыми электровозы классифицируют по роду
питания.
Если электровозы работают в тяговой сети напряжением 3000 В
постоянного тока, они называются электровозами постоянного тока.
Электровозы, работающие в тяговой сети напряжением 25 000 В
промышленной частоты 50 Гц, называются электровозами переменного тока или электровозами однофазно-постоянного тока.
Электровозы, которые могут работать как в сети постоянного, так
и переменного тока, называются электровозами двойного питания.
Если электровозы могут работать в трех и более различных тяговых системах, они называются многосистемными.
Род питания, на который рассчитан электровоз, существенно влияет на его конструкцию и стоимость. Относительно простым устройством электрической части и низкой стоимостью характеризуются
электровозы постоянного тока с коллекторными тяговыми двигателями, так как в них электроэнергия контактной сети непосредственно подводится к тяговым двигателям без применения промежуточных преобразовательных устройств.
Электровозы переменного тока всегда оснащаются преобразовательными установками, например понижающим трансформатором
и устройствами для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямителями). Наличие преобразовательных устройств делает электровозы переменного тока более сложными и дорогими, но
в то же время упрощает конструкцию элементов тяговой сети. Если
электровоз рассчитан для работы сразу в нескольких тяговых системах, его электрическая часть значительно усложняется, поэтому самыми дорогими электровозами являются электровозы двойного питания и многосистемные.

3.2 Грузовые электровозы
Рассмотрим конструктивные схемы и технические параметры разных видов электровозов.
Конструктивные схемы локомотивов предоставляют информацию
об особенностях конструктивного исполнения их механической части, а также об их осевой формуле.
По осевой формуле локомотива можно определить количество колесных пар и тяговых двигателей, число тележек, количество осей
23

в тележке, место расположения автосцепок и особенности передачи
продольных усилий от локомотива к составу.
Конструктивные схемы грузовых электровозов по уровню совершенства их механической части можно условно разделить на три поколения.
Как уже отмечалось, к грузовым электровозам первого поколения
относятся электровозы, построенные в период с 1932 по 1956 г. Рассмотрим их конструктивные схемы.
Конструктивная схема шестиосных грузовых электровозов первого поколения приведена на рисунке 3.3.
Из изображенной на рисунке 3.3 конструктивной схемы следует,
что кузов 3 шестиосного электровоза через шкворневые узлы 5 опирается на две трехосные тележки 2, имеющих по три колесные пары 6.
Кузов на торцевых концах имеет по кабине управления, а на крыше
два токоприемника 4.
4
3
2

5

1

7

6

Рисунок 3.3 – Конструктивная схема шестиосного
грузового электровоза первого поколения

Особенностями схемы на рисунке 3.3 и всех электровозов первого поколения являются:
– расположение автосцепки 1 на раме тележки 2;
– наличие между тележками сочленяющего устройства 7;
– передача продольных сил от локомотива к составу через рамы
тележек и сочленяющее устройство 7.
Рассмотрим, как записывается осевая формула локомотива с подобной конструктивной схемой
3о + 3о.

(3.1)

В осевой формуле количество цифр указывает на количество тележек в ходовой части, сама цифра «3о» – количество колесных пар
24

в одной тележке; нижний индекс «о» указывает на индивидуальный
привод каждой колесной пары; знак «+» указывает на наличие сочленяющего устройства между тележками.
Подобную осевую формулу имели самые первые отечественные
грузовые электровозы постоянного тока серий ВЛ19, ВЛ22 и ВЛ23.
Рассмотрим, как расшифровывается название этих локомотивов.
Аббревиатуру «ВЛ» (Владимир Ленин) до середины 1990-х гг. имели
все грузовые электровозы, выпускавшиеся Новочеркасским (НЭВЗ)
и Тбилисским (ТЭВЗ) электровозостроительными заводами. Число
в названии этих грузовых электровозов I поколения указывало на
осевую нагрузку в тоннах, например у электровозов ВЛ22 давление
от колесной пары на рельсы составляло 22 т.
Конструктивная схема восьмиосных грузовых электровозов первого поколения приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Конструктивная схема восьмиосного грузового
электровоза первого поколения

На рисунке 3.4 изображена конструктивная схема восьмиосного
двухкузовного электровоза. Увеличение количества колесных пар и
тяговых двигателей позволяет повысить мощность электровоза, при
этом для улучшения вписывания в кривые вместо трехосных тележек применяют двухосные, а внутреннее оборудование распределяют на два кузова. Подобную конструктивную схему имели грузовые электровозы постоянного тока серии ВЛ8, где число в названии
указывало количество осей. Его осевая формула записывается следующим образом:
2о + 2о + 2о + 2о.

(3.2)

Рассмотрим конструктивные схемы грузовых электровозов второго поколения.
25

Конструктивная схема шестиосных грузовых электровозов второго поколения приведена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – Конструктивная схема шестиосного грузового
электровоза второго поколения

Из изображенной на рисунке 3.5 конструктивной схемы следует,
что у локомотивов второго поколения:
– автосцепки располагаются только на раме кузова;
– между тележками отсутствует сочленяющее устройство;
– передача продольных сил от локомотива к составу осуществляется через раму кузова.
Осевая формула локомотивов с подобной конструктивной схемой записывается как
3о – 3о,

(3.3)

где знак «–» указывает на отсутствие сочленения между тележками.
Перенос автосцепок с тележек на кузов, во-первых, существенно облегчает вес тележек, что улучшает динамические качества локомотива, во-вторых, значительно упрощает конструкцию тележек
и технологию их изготовления.
Впервые подобная конструктивная схема стала применяться
в 1957 г. на электровозах переменного тока серии ВЛ60, где число
в названии не определяло параметры локомотива, а указывало только принадлежность к роду питания на переменном токе. Из современных локомотивов такую конструктивную схему имеют пассажирские электровозы ЭП2К.
Конструктивная схема восьмиосных грузовых электровозов второго поколения приведена на рисунке 3.6.
На рисунке 3.6 изображена конструктивная схема восьмиосного
двухкузовного либо двухсекционного электровоза второго поколе26

ния. В двухкузовном электровозе часть электрооборудования и вспомогательных машин располагается в первом кузове, другая часть –
во втором. Распределяют оборудование по кузовам таким образом,
чтобы осевая нагрузка колесных пар обоих кузовов была одинаковая,
при этом кузова не могут расцепляться, и электровоз всегда эксплуатируется в восьмиосном исполнении. Осевая формула двухкузовного электровоза второго поколения записывается как
2о – 2о – 2о – 2о.

(3.4)

Подобную конструктивную схему имели грузовые электровозы
постоянного тока серии ВЛ10, переменного тока серии ВЛ80 и двойного питания ВЛ82.

Рисунок 3.6 – Конструктивная схема восьмиосного грузового
электровоза второго поколения

В двухсекционном восьмиосном электровозе каждая секция имеет
полный набор необходимого электрооборудования и вспомогательных машин, вследствие чего появляется возможность эксплуатации
каждой секции по отдельности или формирования из трех секций
двенадцатиосного электровоза, конструктивная схема которого изображена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 – Конструктивная схема двенадцатиосного трехсекционного
грузового электровоза второго поколения
27

Возможность секционирования локомотивов широко используется при работе по системе многих единиц, когда вариациями количества секций получает электровоз необходимой мощности для
заданных условий движения. Осевые формулы восьмиосных и двенадцатиосных электровозов, работающих по системе многих единиц,
записываются соответственно следующим образом:
2(2о – 2о);

(3.5)

3(2о – 2о).

(3.6)

По системе многих единиц работают электровозы постоянного
тока серии ВЛ11, 2ЭС4К, 2ЭС6, 2ЭС10 и разновидности электровозов переменного тока серии ВЛ80, 2ЭС5К. Электровозы, имеющие
осевую формулу (3.6), в базовом варианте изготавливаются с бустерной секцией (средней секцией без кабины управления) – это электровозы постоянного тока 3ЭС10 и переменного тока 3ЭС5К.
К грузовым электровозам третьего поколения относятся электровозы, построенные в период с 1983 г. и по настоящее время. Рассмотрим их конструктивные схемы.
Конструктивная схема шестиосных грузовых электровозов третьего поколения приведена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Конструктивная схема шестиосного грузового
электровоза третьего поколения

Из конструктивной схемы на рисунке 3.8 следует, что шестиос­
ный грузовой электровоз третьего поколения представляет собой
однокузовной локомотив, опирающийся на три двухосные тележки
с передачей продольных усилий через раму кузова. Такая схема обеспечивает лучшее вписывание электровоза в кривые участки пути
и позволяет применять упрощенные по конструкции тележки. Подобную конструктивную схему имеют электровозы переменного тока
ВЛ65 и ЭП1, их осевая формула имеет вид:
28

2о – 2о – 2о.

(3.7)

Конструктивная схема двенадцатиосных грузовых электровозов
третьего поколения приведена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 – Конструктивная схема двенадцатиосного грузового
электровоза третьего поколения

Из конструктивной схемы на рисунке 3.9 следует, что двенадцатиосный электровоз состоит из двух секций, каждая из которых опирается на три двухосные тележки. Осевая формула записывается следующим образом:
2(2о – 2о – 2о).

(3.8)

Если сравнить эту схему со схемой на рисунке 3.7, то видно, что
двенадцатиосный двухсекционный локомотив имеет меньшую длину,
чем двенадцатиосный трехсекционный локомотив аналогичной мощности. Конструктивную схему, изображенную на рисунке 3.9, имеют грузовые электровозы постоянного тока серии ВЛ15 и переменного тока ВЛ85, производство которых началось на НЭВЗ в 1983 г.
При необходимости к двум секциям этих электровозов можно подключать третью для получения восемнадцатиосного локомотива.
Необходимо отметить, что новые грузовые электровозы, производимые в нашей стране, могут также иметь конструктивные схемы
электровозов второго поколения. Для примера можно отметить электровозы серии 2ЭС5К «Ермак», которые начали строиться НЭВЗом
с 2004 г. и обозначаются по новой системе, где первая цифра указывает количество секций, аббревиатура «ЭС» – принадлежность
к грузовым электровозам, а буква «К» – тип тяговых двигателей. Конструктивная схема электровозов 2ЭС5К приведена на рисунке 3.6.
Применение более ранних конструктивных схем на современных
и перспективных электровозах вызвано желанием получать локомотив с количеством осей 8 или 16, однако в ходовой части стремятся
29

использовать современные технические решения, впервые опробованные на двухсекционных двенадцатиосных электровозах серий
ВЛ85 и ВЛ15.
Рассмотрим технические параметры грузовых электровозов.
Современные грузовые электровозы представляют собой секционные локомотивы с возможностью работы по системе многих единиц, которые в зависимости от условий движения могут иметь 8, 12
или 16 тяговых осей.
Осевая нагрузка грузовых электровозов Go может составлять от
23 до 25 т (чем больше давление от оси на рельсы, тем большую силу
тяги может реализовать локомотив).
Конструкционная (максимальная) скорость движения Vк = 100
– 110 км/ч.
Каждый локомотив характеризуется номинальным режимом работы, в котором его тяговые двигатели работают с максимальным
КПД. В усредненных величинах номинальные параметры грузовых
электровозов составляют:
– скорость движения Vн = 50 км/ч;
– сила тяги Fкд = 450 кН.
Таким образом, от грузовых электровозов требуется реализация
достаточных тяговых усилий для вождения грузовых поездов весом
6000 т и более. Грузовые электровозы не являются скоростными локомотивами, их задача – длительно поддерживать скорость движения близкой к установленной для данного участка (как правило, 70 –
80 км/ч для грузового движения) с одновременной реализацией необходимой силы тяги.

3.3 Пассажирские электровозы
Пассажирские поезда, в отличие от грузовых, имеют меньший вес –
порядка 1000 –1200 т, но следуют с большими скоростями движения – до 140 км/ч. Это означает, что конструктивные и тяговые параметры локомотивов, предназначенных для вождения пассажирских поездов, должны отличаться от соответствующих параметров
грузовых локомотивов.
Пассажирских электровозов с конструктивной схемой первого
поколения как таковых в нашей стране не было, их роль играли грузовые электровозы, переоборудованные под условия движения пассажирских поездов. Первые пассажирские электровозы на железных
30

дорогах нашей страны появились только в 1957 г. и имели конструктивную схему электровозов второго поколения. Почти все пассажирские электровозы поставлялись в нашу страну из Чехословакии,
что отразилось в системе их обозначения. Назывались пассажирские
электровозы буквами «ЧС», за которыми стоял номер серии (типа).
Самые первые чехословацкие пассажирские электровозы были постоянного тока, четырехосными с осевой формулой
2о – 2о,

(3.9)

и принадлежали сериям ЧС1 и ЧС3. В 1962 г. появились более мощные электровозы постоянного тока ЧС2, а в 1965 г. – пассажирские
электровозы переменного тока серии ЧС4. Оба электровоза были шестиосными и имели осевую формулу (3.3) с конструктивной схемой,
приведенной выше на рисунке 3.5.
Как правило, электровозам для тяги пассажирских составов даже
при высоких скоростях движения достаточно тяговой мощности, создаваемой шестью двигателями. Однако в ряде случаев, когда осуществляется тяга длинносоставных пассажирских поездов либо тяга
поездов в условиях тяжелого профиля пути или скоростного движения, становится целесообразным применять более мощные локомотивы в восьмиосном исполнении.
С 1979 г. чешский завод «Шкода» небольшими партиями поставлял на отечественные железные дороги пассажирские восьмиосные
двухкузовные электровозы постоянного тока серий ЧС200 (с конструкционной скоростью 200 км/ч), ЧС6, ЧС7 и электровозы переменного тока серии ЧС8. Все восьмиосные пассажирские электровозы имеют конструктивную схему, приведенную выше на рисунке
3.6, и осевую формулу (3.4).
Пассажирские электровозы третьего поколения ЭП2К и ЭП1 производятся только в шестиосном исполнении по конструктивным схемам, приведенным соответственно на рисунках 3.5 и 3.8. Все современные пассажирские электровозы обозначаются буквами «ЭП»
(электровоз пассажирский) и номером серии.
Рассмотрим технические параметры пассажирских электровозов.
В усредненных величинах номинальные параметры пассажирских
электровозов составляют:
– скорость движения Vн = 100 км/ч;
– сила тяги Fкд = 200 кН.
Таким образом, от пассажирских электровозов в первую очередь требуется реализация достаточно высоких скоростей движения
31

до максимальных величин 160 – 200 км/ч при относительно небольших тяговых усилиях (до 250 кН). Этим требованиям полностью удовлетворяют шестиосные либо восьмиосные локомотивы с осевой нагрузкой от 19 до 21,5 т.

3.4 Маневровые и промышленные электровозы
Несмотря на то что маневровые и промышленные электровозы
относят к разным классам ЭПС, их конструктивные схемы и параметры выбираются по одинаковым принципам, исходя из следующих условий:
– обеспечение хорошего кругового обзора локомотивной бригаде в процессе управления электровозом;
– надежное обеспечение токосъема при верхнем и боковом расположении контактного провода, а также в условиях применения
контактного рельса;
– полноценная работа в тяговой сети промышленных предприятий;
– возможность автономной работы на неэлектрифицированных
участках.
Для соответствия этим условиям маневровые и промышленные
электровозы, как правило, имеют обеспечивающий лучший обзор
кузов капотного типа, несколько токоприемников и иногда собственные источники энергии в виде аккумуляторных батарей или дизель-генераторной установки.
В зависимости от назначения и условий работы, маневровые и
промышленные электровозы исполняются по различным конструктивным схемам с соответствующим количеством осей. Например,
первые электровозы для подъездных и внутризаводских путей, а также коксотушильные электровозы изготовлялись с бестележечным
двухосным экипажем и в номинальном режиме реализовывали силу
тяги порядка 25 кН при скорости 10 км/ч. В вывозной работе на предприятиях металлургической и угольной промышленности, а также
в карьерах применяются более мощные четырех- или шестиосные
электровозы с осевыми формулами типа

32

2о + 2о;

(3.10)

2о + 2о + 2о.

(3.11)

Конструктивная схема промышленного электровоза с осевой формулой (3.11) приведена на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 – Конструктивная схема шестиосного
промышленного электровоза

В номинальном режиме четырехосные промышленные электровозы в среднем реализуют силу тяги 160 кН при скорости 25 км/ч,
а шестиосные – соответственно 220 кН при 30 км/ч. Для реализации
больших тяговых усилий при преодолении крутых подъемов эти электровозы имеют осевую нагрузку до 25 т.
Маневровые электровозы изготовляются в четырех- или шестиосном исполнении с осевыми формулами соответственно (3.9) и (3.3)
и кузовом капотного типа, оснащаются либо аккумуляторными батареями (контактно-аккумуляторный электровоз) либо дизель-генераторной установкой (электротепловоз). В номинальном режиме маневровые электровозы в среднем реализуют силу тяги порядка 180 кН
при скорости 25 км/ч. Осевая нагрузка варьируется от 21 до 23 т.
Электротягачи изготовляются восьмиосными двухсекционными
с четырьмя мономоторными тележками. Тяговые параметры электровоза отвечают условиям эксплуатации на углепогрузочных пунктах:
скорость движения около 3,6 км/ч при силе тяги до 730 кН, осевая
нагрузка 22,5 т. Так как электровоз должен двигаться плавно, со стабильной скоростью вне зависимости от загрузки вагонов, он управляется дистанционно через автоматическую систему управления.
Маневровые и промышленные электровозы изготовлялись рядом
отечественных заводов (серии и опытные образцы СО, ВЛ26, ВЛ41,
Д100, Д94, ЭТГ, Э2, ЭК13, ЭК14 и др.), а также поставлялись из других стран: Германии (серии ПЭ150, ЕЛ1, ЕЛ2, ЕЛ21), Италии (серия
В), Чехословакии (серия 13Е1).

33

3.5 Электропоезда
Электропоезда – это неавтономный вид ЭПС, предназначенный
для распределенной тяги пассажирских составов в пригородном
(до 150 км) либо скоростном и высокоскоростном местном сообщении (до 700 км).
Конструктивные схемы поездов пригородного сообщения должны удовлетворять условиям их эксплуатации:
– следование с очень частыми остановками (среднее расстояние
между раздельными пунктами в пригородном сообщении составляет порядка 2,5 – 3 км);
– переменный пассажиропоток в зависимости от времени суток
и дня недели;
– возможное отсутствие поворотных кругов и слабое станционное развитие конечных раздельных пунктов.
Учитывая эти условия, эксплуатировать пассажирские поезда
с обычными электровозами в пригородном сообщении нерационально, так как значительно снижается средняя скорость движения, повышается расход энергии на тягу, усложняется согласование графика движения с пиковыми промежутками времени максимального
пассажиропотока.
Чтобы пассажирский поезд соответствовал условиям пригородного движения, он должен обладать:
– высоким разгонным ускорением порядка 0,9 – 1,2 м/с2;
– большой пассажировместительностью;
– переменной составностью.
Для реализации высоких ускорений при разгоне электропоезда
имеют в своем составе несколько равномерно распределенных локомотивов (моторных вагонов), в этом случае необходимая для высоких
ускорений мощность распределяется на большое количество движущих осей. Для повышения пассажировместительности электропоездов кузова их моторных вагонов оборудуются под пассажирские
салоны, а необходимое электрическое оборудование располагается под вагоном, на крыше или в тамбурных отделениях. Для гибкого
изменения количества вагонов в зависимости от текущего пассажиропотока, моторные вагоны электропоездов управляются по системе многих единиц.
Современные пригородные электропоезда набираются из моторвагонных секций (МВС). Каждая МВС состоит из одного моторного
(М) и одного прицепного (П) вагона. У электропоездов отечествен34

ной разработки моторные вагоны чаще всего выполняются только
промежуточными (МП), а прицепные могут быть как промежуточные (ПП), так и головные (ПГ). Формирование МВС может происходить по одной из двух возможных схем:
1) МП + ПП;
2) МП + ПГ.
Осевая формула МВС записывается следующим образом:
n(2о – 2о – 2 – 2),

(3.12)

где n – количество МВС в поезде.
В зависимости от пассажиропотока из МВС формируют четырех-, шести-, восьми-, десяти- или двенадцативагонный электропоезд. На рисунке 3.11 приведена схема формирования десятивагонного электропоезда.
ПГ + МП + ПП + МП + ПП+ МП + ПП + МП + МП + ПГ
Рисунок 3.11 – Схема формирования МВС
в десятивагонном электропоезде

На линиях с низким пассажиропотоком целесообразно эксплуатировать двухвагонные электропоезда, это возможно, если моторный
вагон выполнить головным и применить схему МВС (МГ + ПГ). Такую МВС можно получать в новых российских электропоездах ЭП2Д.
В связи с формированием пригородных электропоездов из отдельных МВС электропоезда еще называют моторвагонным подвижным составом (МВПС).
До начала 1990-х гг. МВПС, курсировавший по отечественным
железным дорогам, поставлялся двумя рижскими заводами и обозначался буквами «ЭР» (электропоезд рижский). К буквенному обозначению прибавляли номер серии. Например, серии электропоездов
постоянного тока обозначались как ЭР1, ЭР2, ЭР22, электропоезда
переменного тока – ЭР9. С середины 1990-х гг. электропоезда стали
выпускаться на территории Российской Федерации двумя заводами:
Торжокским (электропоезда постоянного тока серии ЭТ2, ЭТ2М) и
Демиховским (электропоезда постоянного тока серий ЭД4М, ЭП2Д
и переменного тока – серии ЭД9Э, ЭП3Д). В настоящее время из
них функционирует только Демиховский завод. В 2015 г. два опытных электропоезда ЭГ2Тв «Иволга» построил Тверской вагоностро35

ительный завод. В соответствии с новой системой обозначения пригородные электропоезда обозначаются буквами «ЭП», электропоезда
городского типа «ЭГ», далее следуют «тип» и первая буква (или буквы) в названии города-изготовителя.
Максимальная скорость пригородных электропоездов составляет 130 км/ч.
Скоростные и высокоскоростные электропоезда курсируют, как
правило, в местном сообщении и отличаются от пригородных более высокой участковой скоростью движения за счет снижения количества остановок в пути следования. С другой стороны, эти электропоезда имеют более высокую максимальную скорость движения:
до 200 км/ч – скоростные, более 200 км/ч – высокоскоростные.
В России в настоящее время эксплуатируются скоростные электропоезда двойного питания ЭС1 и постоянного тока ЭС2Г под общим
названием «Ласточка», высокоскоростные постоянного тока ЭВС1
и двойного питания ЭВС2 под общим названием «Сапсан», в международном сообщении (С.-Петербург – Хельсинки) высокоскоростной электропоезд двойного питания Sm6 «Аллегро». Все электропоезда в отличие от поездов Демиховского завода имеют асинхронный
тяговый привод и изготовлены либо в Европейском союзе, либо выпускаются при участии зарубежных компаний.
В отличие от пригородных скоростные и высокоскоростные поезда являются более технологичными (особенно в плане вопросов
безопасности, аэродинамики и шумозащищенности), не обладают
гибкой составностью, т. к. большой перечень разнообразного оборудования равномерно распределен между всеми вагонами, для примера на рисунке 3.12 приведена схема формирования электропоезда ЭВС2.
МГ+ПП+ПП+МП+ПП+ПП+МП+ПП+ПП+МГ
Рисунок 3.12 – Схема формирования десятивагонного
высокоскоростного электропоезда «Сапсан»

3.6 Тяговые агрегаты
Тяговый агрегат – это сцеп из электровоза управления (ЭУ) и одного или двух обмоторенных вагонов-думпкаров (ВД) (рисунок 3.13).
Так как колесные пары всех сцепленных единиц тягового агрегата
имеют тяговые электродвигатели, он обладает очень большим сцеп36

ным весом. Большой сцепной вес играет ключевую роль при вывозе
руды или угля на карьерных железных дорогах с уклонами до 60 ‰.
ЭУ + ВД (+ ВД)
Рисунок 3.13 – Схема формирования тягового агрегата

Другая особенность тяговых агрегатов по сравнению с другими
видами ЭПС – возможность автономной работы на неэлектрифицированных путях, которая реализуется за счет наличия дизель-генераторной установки.
В зависимости от исполнения и фирмы-изготовителя тяговые агрегаты могут иметь кузов либо вагонного, либо капотного типа.
На отечественных карьерных железных дорогах эксплуатируются тяговые агрегаты, рассчитанные на работу в трех системах тяговой сети:
– 10 кВ переменного тока промышленной частоты (ЕЛ10 и ЕЛ20
производства Германии, ОПЭ1, ОПЭ2, НП1 отечественного производства);
– 3 кВ или 1,5 кВ постоянного тока (серия ПЭ2), и имеющие следующую осевую формулу:
2о – 2о – 2(2 о – 2 о).

(3.13)

Тяговые агрегаты могут иметь осевую нагрузку до 31 т и реализовывать в номинальном режиме силу тяги в среднем до 700 кН при
скорости 30 км/ч. Максимальная скорость движения тяговых агрегатов не превышает 65 км/ч.

3.7 Применение индексов в системе обозначения ЭПС
В буквенно-цифровой системе обозначения ЭПС часто используют индексы, которые, во-первых, позволяют отразить принципиальные изменения в конструкции ЭПС одной серии в процессе совершенствования, во-вторых, подчеркнуть ключевые особенности
всей серии или конкретного локомотива. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся индексы в обозначениях ЭПС.
Для электровозов:
37

А – применение аккумуляторных источников питания, либо системы автоведения, либо асинхронного тягового привода;
Б – применение бесколлекторных тяговых двигателей;
В – применение вентильных тяговых двигателей либо работа от
контактной сети повышенного напряжения;
Д – двойного питания либо бесконтактная система управления;
К – применение коллекторных тяговых двигателей;
М – модернизированный вариант;
О – однофазного питания;
П – пассажирский вариант (для грузовых электровозов, переоборудованных для пассажирского движения), либо с измененным передаточным отношением редуктора;
Р – оборудован рекуперативным тормозом;
С – может работать по системе многих единиц;
Т – оборудован реостатным тормозом;
У – усиленный (увеличена осевая нагрузка);
Ф – совместное производство с Финляндией.
Для электропоездов:
А – применение аккумуляторных источников питания, либо асинхронного тягового привода;
В – с выходом только на высокие платформы;
Г – городского типа;
Е – с естественным охлаждением электрооборудования (для
МВПС переменного тока);
И – применение тиристорно-импульсных преобразователей (импульсного регулирования);
К – повышенной комфортности;
М – модернизированный вариант;
П – подвагонное размещение выпрямительных установок (для
МВПС переменного тока);
Р – оборудован рекуперативно-реостатным тормозом;
Т – оборудован реостатным, либо рекуперативно-реостатным
тормозом;
Э – с энергосберегающим комплектом электрооборудования.
Получив сведения по системе обозначения отечественного ЭПС,
студентам предлагается расшифровать названия электровозов и электропоездов, которые можно встретить на Свердловской железной
дороге: 2ЭС6, 2ЭС10, 3ЭС10, ВЛ10у, ВЛ11м, ЭП2К, ЭТ2М, ЭД2Т,
ЭД4М, ЭД4МК, ЭС2Г.
38

4 Основные законы и уравнения электротехники,
применяемые в электрической тяге

4.1 Характеристики электрического поля
Безусловно, материал представленный читателю в этом разделе, не может включить в себя все многообразие правил, законов
и уравнений электротехники. Цель этого раздела – вспомнить знания, которые получены в соответствующем курсе лекций физики
и теоретических основ электротехники и потребуются для понимания следующего материала.
Итак, электрический ток – это поток электрически заряженных
частиц. Движущиеся носители электрического заряда (электроны)
образуют электрический ток подобно тому, как движущиеся частички воздуха или воды образуют воздушный или водяной поток.
Наличие тока можно обнаружить по тем эффектам, которые он
вызывает:
– в среде, окружающей проводник с током, наблюдается магнитное поле;
– проводник, по которому течет ток, нагревается.
Единицей электрического тока является 1 ампер (1 A).
Важнейшей характеристикой электрического тока является его
плотность, J, А/м2, которая определяется по выражению
J =

I ,
S

(4.1)

где I – величина электрического тока, А;
S – площадь поперечного сечения проводника, м2.
Зависимость от времени электрического тока может быть различной. У постоянного тока его направление и значение во времени не
изменяются (рисунок 4.1, а). Направление и значение переменного
тока изменяются, причем для практики особенно важен переменный
ток синусоидальной формы (рисунок 4.1, б). Если электрическому
току свойственны черты и постоянного, и переменного тока, то такой ток называется пульсирующим (рисунок 4.1, в).
39

а

б

I

в

I

I

t

t

t

Рисунок 4.1 – Виды электрического тока

Итак, электрический ток – это направленное движение электрически заряженных частиц. В движение эти частицы приводит
источник электродвижущей силы (ЭДС), от которого носители зарядов получают энергию. Направления ЭДС и тока совпадают. Единица измерения ЭДС – 1 вольт (1 В).
ЭДС может быть получена различными способами, например:
– при помощи источников ЭДС, использующих химические процессы (гальванические элементы, аккумуляторы);
– при помощи источников ЭДС, в которых используются свойства магнитного поля (генераторы);
– при помощи источников ЭДС, в которых тепловая энергия преобразуется в электрическую (термоэлектрические преобразователи);
– при помощи источников ЭДС, преобразующих энергию светового излучения в электрическую (солнечные батареи).
На участке электрической цепи, где заряды отдают энергию, имеет место падение напряжения (или просто напряжение). Направление
падения напряжения и тока также совпадают. Единица измерения
напряжения – 1 вольт (1 В).
При своем движении по проводнику электроны сталкиваются
с атомами и при этом теряют часть своей энергии, что приводит к нагреву проводника. Таким образом, наблюдается сопротивление движению электронов – электрическое сопротивление. Единица измерения электрического сопротивления – 1 Ом.
Величина, обратная сопротивлению, называется электрической
проводимостью:
G=

1
,
R

где R – электрическое сопротивление, Ом.
40

(4.2)

Единица измерения электрической проводимости – 1 сименс (1 См).
В каждой электрической цепи происходит обмен энергией, единица измерения которой – 1 джоуль (1 Дж). Изменение энергии в единицу времени называется мощностью:
P=

dW
,
dt

(4.3)

где W – энергия, Дж.
Единица измерения мощности – 1 ватт (1 Вт).

4.2 Основные законы и уравнения электротехники
4.2.1 Закон Ома
В 1826 г. известный физик Георг Симон Ом обнаружил, что сопротивление многих материалов не зависит от значения тока в проводнике и, следовательно, является константой:
R=

U
.
I

(4.4)

4.2.2 Законы Кирхгоффа
Первый закон Кирхгоффа – закон узловой точки. Он гласит: сумма притекающих к узловой точке (к узлу) токов равна сумме токов,
вытекающих из нее.
Например, для узла, изображенного на рисунке 4.2, имеем
I1 + I2 + I3 = I4 + I5.

(4.5)

I4
I1

I5
I2
I3

Рисунок 4.2 – Токи в узловой точке
41

Второй закон Кирхгоффа – закон замкнутого контура: сумма
ЭДС, действующих в контуре, равна сумме падений напряжений
в этом контуре.
Применительно к схеме, изображенной на рисунке 4.3, справедливо равенство
Е = I ∙ R1 + I ∙ R2.

(4.6)

R1
I

R2

E

Рисунок 4.3 – Замкнутый контур

4.3 Характеристики магнитного поля
4.3.1 Еще в древности были известны магнитные свойства некоторых видов железных руд. В первой половине XIX в. Эрстедом было
обнаружено магнитное действие электрического тока (электромагнетизм). Он заметил, что магнитная стрелка, помещенная вблизи
проводника, по которому протекает электрический ток, отклоняется от направления, указываемого при отсутствии тока. Очевидно,
что пространство вокруг магнитов и проводников с током обладает
какими-то специфическими свойствами. Говорят, что в пространстве, в котором наблюдаются различные явления, существует магнитное поле.
Магнитное поле характеризуется линиями поля – магнитными линиями. Магнитные линии выходят из северного (N) полюса постоянного магнита и входят в южный (S).
42

Для определения направления линий магнитного поля тока применяют правило буравчика: «Если ввинчивать буравчик (правый
винт) так, чтобы он перемещался по направлению тока, то направление вращения его ручки указывает направление магнитных линий».
4.3.2 Магнитный поток – это сумма всех линий магнитного поля,
проходящих через некоторое определенное сечение. Единица измерения магнитного потока Ф – вебер (Вб).
Направление магнитного потока определяется правилом буравчика.
4.3.3 Магнитная индукция (плотность магнитного потока) – это количество линий магнитного поля, приходящихся на единицу площади. Для магнитной индукции В справедливо соотношение
B = Ф / S.

(4.7)

Единицей магнитной индукции является тесла (Тл).
4.3.4 Магнитодвижущая сила (МДС) для магнитной цепи аналогична ЭДС электрической цепи, т. е. электрический ток в витках
катушки возбуждает магнитный поток в магнитной цепи. Магнитный поток заданной плотности может быть создан большим током
при малом числе витков катушки или же, наоборот, малым током
при большом числе витков. В общем случае для определения МДС
F справедлива формула
F = I ∙ w,

(4.8)

где w – число витков катушки.
Единица измерения МДС – 1 А.
4.3.5 Магнитный поток вызывает на каждом участке магнитной
цепи падение магнитного напряжения UМ. Формально магнитное напряжение аналогично падению электрического напряжения на участке электрической цепи.
4.3.6 По аналогии с электрической цепью вводится понятие магнитного сопротивления участка RМ:
RM = UM / Ф.

(4.9)
43

Это равенство можно записать и в другой форме:
Ф = UM / RM.

(4.10)

По аналогии с электрической цепью это соотношение называют
законом Ома для магнитной цепи. Единица магнитного сопротивления – А/Вб.

4.4 Закон электромагнитной индукции
В 1831 г. М. Фарадей открыл закономерность, согласно которой
при помощи магнитного поля можно получить ЭДС и, следовательно, электрический ток. В электрических машинах на основании этого
физического явления получается и преобразуется почти вся электрическая энергия, применяемая в промышленности и в быту. Радио­
связь и телевидение также используют это физическое явление.
Итак, закон электромагнитной индукции выражается в следующем: ЭДС индукции может быть получена двумя путями – в неподвижном проводнике, который находится в изменяющемся во
времени магнитном поле, и в движущемся проводнике, который перемещается в магнитном поле.
Для электромагнитной индукции, возникающей в неподвижном
проводнике, который находится в изменяющемся во времени магнитном поле, справедливо соотношение
е= −

dФ
,
dt

(4.11)

dФ
– выражение, характеризующее скорость убывания магdt
нитного потока.
Для электромагнитной индукции, возникающей в движущемся проводнике в неизменяющемся магнитном поле, формула следующая:

где −

е = В ∙ l ∙ v ∙ Sinα,

(4.12)

где l – длина проводника, м;
v – скорость перемещения проводника, м/с;
α – угол между силовыми линиями магнитного поля и направлением перемещения проводника.
44

4.5 Конструкция и принцип действия трансформатора
4.5.1 Конструкция трансформатора
Одной из важнейших электрических машин в локомотивной тяге
является трансформатор. Это электромагнитное статическое устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции электрической энергии переменного тока одного
напряжения в электрическую энергию другого (по значению) напряжения. Это устройство чаще всего состоит из двух (или более) взаимно неподвижных электрически не связанных между собой обмоток,
расположенных на ферромагнитном магнитопроводе (рисунок 4.4).
Обмотки имеют между собой магнитную связь, осуществляемую
переменным магнитным полем.
Обмотка трансформатора, потребляющая энергию из сети, называется первичной обмоткой (обмотка 1 на рисунке 4.4), а обмотка,
отдающая энергию в сеть, – вторичной (обмотка 2 на рисунке 4.4).
Обмотки трансформатора подключаются к сетям с разными напряжениями. Обмотка, предназначенная для присоединения к сети с более
высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения
(ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением, – обмоткой низшего напряжения (НН).

Ф

I1

U1

1

I2

2

U2

Rн

Рисунок 4.4 – Принцип устройства трансформатора

45

Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше – повышающим. В зависимости от включения тех или иных обмоток к сети каждый трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим.
В зависимости от числа фаз трансформаторы подразделяются на
однофазные, трехфазные и многофазные.

4.5.2 Принцип действия трансформатора
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения (см. рисунок 4.4),
то по этой обмотке потечет ток, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Этот поток сцеплен как с одной, так
и с другой обмоткой и, изменяясь, будет индуцировать в них ЭДС.
Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков, то индуцируемые в них ЭДС будут различаться по значению.
В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуцируемая
ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков.
Индуцируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать.
Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора.
В этой обмотке под действием индуцированной в ней ЭДС возникает ток I2, а на ее выводах установится напряжение U2, которые будут
отличаться от тока I1 и напряжения U1 первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит изменение параметров энергии: подводимая к первичной обмотке от сети электрическая энергия
с напряжением U1 и током I1 посредством магнитного поля передается во вторичную обмотку с напряжением U2 и током I2.
Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока. В этом
случае магнитный поток в нем будет неизменным во времени и, следовательно, не будет индуцировать ЭДС в обмотках. Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при
отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки. Во избежание перегорания обмотки протекание такого тока допускать нельзя.

46

5 Конструкция и принципы управления ЭПС

5.1 Основы конструкции ЭПС
Конструкция ЭПС включает следующие составляющие:
– электрическое оборудование;
– тяговые и вспомогательные электрические машины;
– механическую часть;
– автотормозное оборудование.
Электрическое оборудование ЭПС состоит из статических электронных преобразователей и тяговых электрических аппаратов.
Электронные преобразователи предназначены для:
– преобразования переменного напряжения в постоянное (выпрямители);
– преобразования постоянного напряжения в переменное (инверторы);
– регулирования частоты тока (преобразователи частоты);
– преобразования однофазного напряжения в трехфазное (пре­
образователи числа фаз);
– импульсного регулирования постоянного напряжения (импульсные регуляторы). По уровню мощности разделяют тяговые преобразователи, к которым подключаются тяговые двигатели и преобразователи собственных нужд локомотива.
Тяговые электрические аппараты, по уровню напряжения питания делятся на две большие группы:
– высоковольтные аппараты;
– низковольтные аппараты.
К группе высоковольтных аппаратов относятся:
– коммутационные аппараты (контакторы, переключатели, разъединители, силовые ключи);
– аппараты защиты (быстродействующие и главные выключатели, разрядники, различные защитные реле);
– нагружающие аппараты (резисторы, переходные реакторы);
– вспомогательные аппараты (электропечи);
– токосъемные (токоприемники);
– трансформаторы.
47

К группе низковольтных аппаратов относятся:
– контроллер машиниста;
– реле, электромагнитные вентили, трансформаторы;
– низковольтные коммутационные аппараты (блок-контакты,
кнопочные выключатели, автоматические выключатели, полупроводниковые ключи и др.).
Все электрические аппараты объединены в единую систему управления ЭПС, в которой большинство высоковольтных аппаратов по
требованиям электробезопасности управляются дистанционно через контроллер машиниста и кнопочный пульт управления. Конт­
роллер машиниста является главным аппаратом управления ЭПС,
с его помощью машинист управляет тяговым электрооборудованием,
выбирает и изменяет режимы работы ЭПС. На всех современных локомотивах система управления автоматизирована и построена на микроконтроллерах, такая система управления называется микропроцессорной (МПСУ). МПСУ в соответствии с составленной программой
решает широкий круг задач управления тяговым подвижным составом:
– непосредственное управление электронными преобразователями в системе питания тяговых двигателей;
– регулирование напряжения и тока тяговых двигателей;
– стабилизация скорости поезда;
– автоведение поезда;
– решение задач справочно-информационного характера;
– осуществление функций бортовой диагностики.
К тяговым электрическим машинам относятся тяговые электродвигатели, которые предназначены для преобразования входной электроэнергии в механическую энергию движения поезда.
Вспомогательные электрические машины обеспечивают нормальную работу тяговых электрических машин, аппаратов и системы
управления ЭПС. К вспомогательным машинам относятся двигатели постоянного или переменного тока для привода вентиляторов,
компрессоров, насосов.
Вентилятор предназначен для охлаждения тяговых электрических
машин, статических преобразователей и нагружающих аппаратов.
Компрессор обеспечивают воздушные магистрали автотормозной системы и цепей управления высоковольтных электроаппаратов сжатым воздухом.
Насос предназначен для перекачивания охлаждающей жидкости
(например, минерального масла) в системе охлаждения трансформатора, статических преобразователей, нагружающих аппаратов.
48

Механическая часть ЭПС включает:
– кузов со всеми его конструктивными элементами;
– ходовую часть ЭПС;
– автосцепки и поглощающие аппараты.
Кузов ЭПС включает в себя раму, каркас и обшивку, его в настоящее время чаще всего делают сварным. Кузова ЭПС бывают вагонного, капотного и комбинированного типа, первые применяются на
магистральных электровозах, электропоездах, некоторых сериях тяговых агрегатов, вторые – на тяговых агрегатах, маневровых и промышленных электровозах, третьи – на некоторых сериях промышленных электровозов.
Внутри кузова вагонного типа электровозов и тяговых агрегатов
размещаются кабины управления, основная часть электрооборудования, машинное отделение для вспомогательных электрических
машин и бункеры для песка. На крыше ЭПС устанавливаются токоприемники, воздухозаборники системы вентиляции, иногда защитные аппараты и главные воздушные резервуары для накопления сжатого воздуха. Под кузовом размещаются автотормозные устройства
и иногда главные воздушные резервуары. Внутри кузова вагонов
электропоездов размещаются пассажирские салоны, а всё электрооборудование монтируется на крыше, под вагоном и в тамбурных
шкафах. Вспомогательные машины располагают только под кузовом вагонов электропоездов.
В кузове капотного типа электрооборудование и вспомогательные машины располагаются изолированно от кабины управления,
и в условиях движения они недоступны для осмотра. Кабину управления, как правило, располагают выше машинного и аппаратного отделений, что обеспечивает хороший круговой обзор локомотивной
бригаде при работе. К достоинствам кузова капотного типа также необходимо отнести относительную дешевизну производства, простоту обслуживания и ремонта.
Кузова ЭПС с сочлененными тележками (промышленные электровозы и магистральные электровозы первого поколения) не нагружены продольными силами и воспринимают только вертикальные
и поперечные силы. Кузова ЭПС с несочлененными тележками (маневровые электровозы, магистральные электровозы второго и третьего поколений, электропоезда и большинство тяговых агрегатов)
помимо вертикальных нагрузок передают продольные силы тяги
и торможения. Это приводит к утяжелению и усложнению конструкции кузова, но значительно упрощает конструкцию ходовой части.
49

По восприятию усилий различают кузова с несущей рамой и цельнонесущие. Кузова с несущей тяжелой рамой могут воспринимать
значительные продольные усилия, при этом крыша и боковые стенки
нагружаются только в вертикальной и поперечной плоскостях. В кузовах цельнонесущих все имеющиеся нагрузки воспринимаются крышей, боковыми и торцевыми стенками, вследствие чего отпадает надобность в применении массивной рамы. Применение цельнонесущих
кузовов оправдано на тех видах ЭПС, где существенно лимитируется
осевая нагрузка (пассажирские электровозы и вагоны электропоездов).
Ходовая часть ЭПС включает следующие элементы:
– тележки;
– колесные пары;
– буксовые узлы;
– редукторы;
– систему рессорного подвешивания;
– устройства автотормозной системы.
Тележки обеспечивают лучшее вписывание ЭПС в кривые участки
пути и всегда имеют рамную конструкцию. Рама предназначена для
передачи и равномерного распределения нагрузки от кузова на все
колесные пары. Рама тележки состоит из двух боковин, нескольких
поперечных брусьев и имеет обычно прямоугольную форму. Поперечные брусья могут быть концевыми и шкворневыми. По своей конструкции и технологии изготовления рамы тележек могут быть брусковыми, листовыми, литыми и сварными; последние применяются
на всех современных локомотивах, так как имеют меньший вес, относительно простую технологию изготовления, обслуживания и ремонта. Связь между кузовом и тележкой бывает шкворневой и бесшкворневой. Шкворневой узел применяется на большинстве электровозов
и тяговых агрегатах, бесшкворневая связь – на электропоездах, магистральных электровозах третьего поколения.
Колесные пары ЭПС состоят обычно из оси, колесных центров
и бандажей. На концах оси колесных пар предусматриваются шейки,
выполненные под буксовые подшипники. Колесные центры напрессовываются на оси в холодном состоянии на специальных прессах.
Буксовый узел выполняет две функции:
– передает вертикальные, продольные и поперечные нагрузки
между колесной парой и рамой тележкой;
– обеспечивает вращение колесных пар.
По способу передачи усилий различают буксовые узлы с жесткой связью (челюстные буксы) и упругой связью (поводковые бук50

сы, буксы с цилиндрическими направляющими). Челюстные буксы применялись на магистральных электровозах первого поколения
и некоторых промышленных электровозах. На современных сериях
ЭПС применяются бесчелюстные буксовые узлы с упругой связью.
Вращение колесной пары в буксовом узле обеспечивает подшипник. На первых локомотивах применялись подшипники скольжения,
которые характеризовались большими внутренними силами трения
и трудоемким обслуживанием. В настоящее время применяют только подшипники качения в основном роликового типа.
Редуктор (зубчатая передача) предназначен для передачи механической мощности с вала якоря ТЭД на обод колеса. В условиях применения индивидуального привода используют цилиндрический одноступенчатый редуктор, состоящий из большого зубчатого колеса,
насаженного на ось колесной пары, и шестерни, которая насаживается на конец вала якоря ТЭД. Мощные ТЭД электровозов и тяговых агрегатов имеют обычно два редуктора, а ТЭД электропоездов,
пассажирских, маневровых и некоторых промышленных электровозов – только один редуктор. Основной характеристикой редуктора является его передаточное число µ, которое может быть определено по формуле
µ=

nя
,
nк

(5.1)

где nя и nк – соответственно число оборотов вала ТЭД и колеса.
Грузовые электровозы имеют передаточное отношение от 3 до 5,
пассажирские – от 1,5 до 2,5.
На ЭПС с групповым приводом колесных пар редукторы выполняются многоступенчатыми.
Система рессорного подвешивания выполняет две функции:
– смягчает динамические удары при прохождении колесных пар
неровностей пути;
– выравнивает осевые нагрузки между колесными парами.
Рессорное подвешивание включает системы рессор, пружин, балансиров и гасителей колебаний. Сами рессоры бывают листовыми
и винтовыми, последние все чаще применяют на современном ЭПС,
так как они обеспечивают большую плавность хода. Система рессорного подвешивания локомотивов включает, как правило, две ступени:
– буксовую, устанавливаемую между буксовым узлом и рамой тележки;
51

– центральную, устанавливаемую между рамой тележки и рамой
кузова.
На ходовой части ЭПС располагается ряд устройств автотормозной системы: тормозные цилиндры, тормозная рычажная передача
и тормозные колодки. Тормозные цилиндры преобразуют давление
сжатого воздуха, поступающего из запасных резервуаров, в усилие
поступательно перемещающегося штока. Тормозная рычажная передача состоит из механических тяг и авторегулятора и передает усилие
от штоков тормозного цилиндра до тормозных колодок. Тормозные
колодки прижимаются непосредственно к ободу колеса (колодочноколесное торможение) или к специальным дискам на оси колесной
пары (дисковое торможение).
Автосцепки и поглощающие аппараты еще называют ударно-тяговыми аппаратами. Автосцепки закрепляются на раме тележки (электровозы первых поколений) или на раме кузова (весь современный
ЭПС) и обеспечивают передачу продольно-динамических усилий
между локомотивом и вагонами. Поглощающие аппараты предназначены для рассеяния энергии соударений между локомотивом и вагонами при маневровой работе, а также в процессе движения поезда.
В процессе сцепления локомотива с вагонами (и вагонов между собой) автосцепки срабатывают автоматически, а процесс расцепления
производится вручную. Различают автосцепки жесткого и полужесткого типов. Автосцепки жесткого типа не допускают между собой перемещений ни в одной плоскости. Автосцепки полужесткого типа –
допускают перемещения в вертикальной плоскости, позволяя сцеплять вагоны с локомотивом, автосцепки которых находятся на разной высоте от головки рельса и, следовательно, быстрее изнашиваются. Автосцепки полужесткого типа применяются на большинстве
видах ЭПС, исключением являются электропоезда метрополитена,
скоростные и высокоскоростные пассажирские поезда.
Тормозами подвижного состава называют комплекс устройств, создающих управляемые машинистом силы сопротивления движению
поезда для регулирования скорости поезда или его полной остановки. Тормоза, которые без участия машиниста обеспечивают процесс
экстренного торможения разорвавшихся по какой-либо причине частей поезда, называются автоматическими или автотормозами.
По способу создания тормозной силы автотормоза являются
фрикционными (т. е. работа тормозов основана на создании силы
трения) и имеют пневматический привод, поэтому их еще называют пневматическими.
52

Автотормоза могут иметь пневматическую или электропневматическую систему управления, первая применяется на грузовых поездах, вторая – на пассажирских. В длинносоставных грузовых поездах
для улучшения продольно-динамических усилий в процессе торможения пневматическую систему управления тормозами могут дополнять устройствами, которые управляются по радиоканалу, например, РУТП (система распределенного управления тормозами поезда).
Автотормозное оборудование с пневматической системой управления состоит из следующих основных элементов (рисунок 5.1):
– кран машиниста;
– тормозная магистраль;
– воздухораспределитель;
– запасный резервуар;
– тормозной цилиндр;
– рычажная передача;
– тормозные колодки.
Кран машиниста является главным прибором управления тормозами поезда.
Тормозная магистраль объединяет тормозные средства локомотива и вагонов поезда в единую сеть.
Воздухораспределитель располагается под каждой единицей поезда и предназначен для управления давлением воздуха в тормозных
цилиндрах. Сам воздухораспределитель управляется дистанционно
краном машиниста за счет изменения давления воздуха в тормозной магистрали.
Запасный резервуар выполняет функции накопителя сжатого
воздуха, подаваемого в процессе торможения в тормозные цилиндры. Давление сжатого воздуха в запасном резервуаре должно быть
достаточным для осуществления полной остановки. Опорожнение
и заполнение запасного резервуара сжатым воздухом осуществляется через воздухораспределитель.
Назначение тормозного цилиндра, рычажной передачи и тормозных колодок рассмотрено выше в ходовой части ЭПС.
Автотормоза поезда могут работать в четырех основных режимах:
– поездной;
– служебное торможение;
– перекрыша;
– экстренное торможение.
В поездном режиме тормоза поезда отпущены, а тормозная магистраль заряжена до определенного давления (зарядное давление
53

в тормозной магистрали грузовых поездов достигает 5,5 атм, пассажирских – 5,2 атм).
В режиме служебного торможения через кран машиниста тормозная магистраль разряжается со скоростью до 0,4 атм/с, что приводит к срабатыванию воздухораспределителей на режим служебного торможения.
Режим перекрыши применяется при ступенчатом характере служебного торможения, например при подтормаживании, когда давление в тормозной магистрали фиксируется за счет ее изоляции краном машиниста, как от атмосферы, так и от питательной магистрали.

К

ВМ

ЛОКОМОТИВ
ПМ
ТМ
МС
ГР
КМ

ВАГОН
МС

атм
ЗР

ВР

ЗР

атм
ТК

РП

ВР
атм

ТЦ

ТК

РП

ТЦ

К – компрессор; ВМ – воздушная магистраль; ГР – главный
резервуар;ПМ – питательная магистраль; КМ – кран машиниста; атм – атмосфера;ТМ – тормозная магистраль; МС – межвагонное соединение; ВР – воздухораспределитель; ЗР – запасный резервуар; ТЦ – тормозной цилиндр; РП – рычажная
передача; ТК – тормозные колодки

Рисунок 5.1 – Структурная схема автотормозной системы поезда

В режиме экстренного торможения происходит полная разрядка
тормозной магистрали с темпом не менее 0,8 атм/с, при этом воздухораспределители обеспечивают максимально быстрое заполнение
тормозных цилиндров и остановка поезда с максимальной скорости
происходит в пределах 1…1,5 мин.

5.2 Особенности конструкции и принципы управления ЭПС
постоянного тока с тяговыми двигателями постоянного тока
К основным особенностям конструкции и работы ЭПС постоянного тока с ТЭД постоянного тока следует отнести:
54

– непосредственное включение тяговых двигателей в тяговую
сеть, это означает, что корпусное напряжение на первом от токоприемника тяговом двигателе равно напряжению контактной сети;
– минимальное использование преобразователей в силовой схеме;
– наличие контакторно-резисторного пуска;
– наличие нескольких схем соединения тяговых двигателей;
– отсутствие, как правило, реализации плавных способов регулирования скорости.
Суммируя эти особенности, можно выделить достоинства и недостатки конструкции и работы ЭПС постоянного тока.
К достоинствам относятся:
– относительная простота конструкции и низкая стоимость по
сравнению с ЭПС переменного тока и автономными локомотивами;
– высокий КПД работы, равный единице коэффициент мощности.
Недостатки:
– ступенчатое регулирование скорости контакторно-резисторным способом и перегруппировкой ТЭД;
– низкая эксплуатационная надежность тяговых двигателей и высоковольтных электроаппаратов вследствие наличия потенциальной
связи с тяговой сетью.
Принципы управления ЭПС постоянного тока с резисторно-контакторным пуском вытекают из выражения для скорости локомотива с тяговыми двигателями постоянного тока
V =

U д − I я (rд + Rп )
Cv ⋅ Ф

,

(5.2)

где Uд – напряжение на зажимах ТЭД;
Iя – ток якоря ТЭД;
rд – сопротивление двигательной цепи;
Rп – сопротивление пусковых резисторов;
Cv – конструктивная постоянная колесно-моторного блока;
Ф – основной магнитный поток ТЭД.
Из выражения (5.2) следует, что скорость ЭПС постоянного тока
можно регулировать тремя способами:
– изменением величины напряжения Uд;
– включением в цепь ТЭД резистора с сопротивлением Rп;
– регулированием основного магнитного потока Ф возбуждения ТЭД.
55

В первом способе реализуется ступенчатое изменение скорости
движения ЭПС за счет переключения тяговых двигателей с одной
схемы соединения на другую. Этот процесс называется перегруппировкой ТЭД. Рассмотрим возможные схемы соединения ТЭД четырехосного электровоза постоянного тока.
Из рисунка 5.2 следует, что тяговые двигатели четырехосного
электровоза могут включаться по двум схемам:
– схема последовательного соединения (рисунок 5.2, а);
– схема параллельного соединения (рисунок 5.2, б).

U С = U Д1 + U Д2 + U Д3 + U Д4
UС

U Д1

U Д2

1

2

UД1U
Д3
UД1
3

U Д4
4

а) последовательное соединение ТЭД

U С = U Д1 + U Д2 = U Д3 + U Д4

UС

U Д1

U Д2

1

2

U Д3

UД4

3

4

UД1
UД1

б) параллельное соединение ТЭД

Рисунок 5.2 – Схемы включения ТЭД на ЭПС постоянного тока
с осевой формулой типа 20 – 20

56

Учитывая, что номинальное напряжение в контактной сети постоянного тока составляет 3000 В, при последовательном соединении
напряжение на зажимах каждого ТЭД составит Uд = 3000/4 = 750 В,
при параллельном – Uд = 3000/2 = 1500 В. Это означает, что благодаря перегруппировке тяговых двигателей на параллельное соединение скорость электровоза возрастет в два раза.
Особенностью перегруппировки ТЭД на ЭПС постоянного тока
является правило обязательного попарного соединения ТЭД в одной тележке, т. е. хотя бы два тяговых двигателя должны всегда соединяться последовательно, даже в схеме параллельного соединения.
Эта особенность обусловливается двумя причинами:
– применением схемы непосредственного включения тяговых
двигателей на напряжение контактной сети;
– наличием лимитирующего межламельного напряжения на коллекторе тяговых двигателей.
Если включать в параллельные ветви по одному ТЭД, диаметр их
коллектора придется увеличивать в два раза, что приведет к неизбежному увеличению габаритных размеров двигателя.
Если количество ТЭД в ЭПС превышает четыре, то применяется
промежуточная схема соединения, которая называется схемой последовательно-параллельного включения тяговых двигателей.
Во втором способе реализуется ступенчатое изменение скорости
движения ЭПС за счет включения последовательно в цепь тяговых
двигателей резисторов. Этот способ еще называют реостатным пуском, а применяемые в нем резисторы – пусковыми, потому что
без них невозможно реализовать нормальное трогание ЭПС с места
и дальнейший разгон. Это требование вытекает из уравнения электрического равновесия для режима тяги
U = E + Iя∙r,
из которого можно получить выражение для тока якоря в момент начала пуска
=
Iп

U − E U − C v ⋅ Ф ⋅V
.
=
r
r

(5.3)

Учитывая, что скорость ЭПС в момент пуска равна нулю, напряжение на зажимах двигателя U = Uном = 1500 В, величина сопротивления двигательной цепи r = 0,2 Ом, ток якоря в момент пуска составит:
57

=
Iп

U ном 1500
= = 7500 A,
r
0, 2

это означает, что включение нераскрученных ТЭД непосредственно на номинальное напряжение Uном = 1500 В приведет к короткому
замыканию как в схеме силовых цепей электровоза, так и в тяговой
сети. Поэтому при трогании поезда с места необходимо принимать
меры для ограничения напряжения и пускового тока.
На ЭПС постоянного тока с контакторно-резисторным пуском
принимают следующие меры:
1) пуск электровоза осуществляют при последовательном соединении ТЭД (С-соединение);
2) последовательно с обмотками ТЭД включают пусковые резисторы с сопротивлением Rп (рисунок 5.3), на которые подается часть
приложенного к ТЭД напряжения. Тогда уравнение электрического
равновесия в электрической цепи ТЭД приобретает следующий вид
U = E + Iя∙(r + Rп),

(5.4)

а пусковой ток якоря будет определяться как
Iп =

U − C v ⋅ Ф ⋅V
.
r + Rп

(5.5)

Величина Rп на ЭПС постоянного тока принимается такой, чтобы в процессе пуска локомотива ток Iп не превышал максимальный
ток якоря Iя max, величина которого в свою очередь лимитируется ограничением реализуемой силы тяги при трогании с места (Fксц) и током перегрузки ТЭД. Для разных серий ЭПС постоянного тока величина Rп, как правило, своя; на современном отечественном ЭПС
она составляет от 7 до 19 Ом на С-соединении ТЭД.
В третьем способе реализуется ступенчатое изменение скорости
движения ЭПС за счет шунтирования обмотки возбуждения ТЭД
резистором (рисунок 5.4).
Режим работы ТЭД последовательного возбуждения, при котором
ток возбуждения Iв равен току якоря Iя, называется режимом полного возбуждения (ПВ).
При подключении резистора с сопротивлением Rш параллельно обмотке возбуждения (см. рисунок 5.4) ток в этой обмотке будет
меньше тока якоря, т. е.
58

I=
Iя − Iш ,
в

(5.6)

где Iш – ток, протекающий через шунтирующий резистор Rш.

UС

I Я ·R П

I Я ·r Д

RП
2

1

Рисунок 5.3 – Схема включения пускового резистора в цепь ТЭД

Такой режим называют режимом ослабленного возбуждения ТЭД
(ОВ). Чем глубже ступень ослабления поля ТЭД, тем меньше будет
величина основного магнитного потока (Ф) ТЭД и выше будет скорость движения ЭПС (см. формулу (5.2)).

IШ

RШ

UС
IЯ
1

IВ
2

Рисунок 5.4 – Шунтирование обмотки возбуждения ТЭД

Весь отечественный серийный ЭПС оборудован косвенной системой управления, которая позволяет из кабины управления дистанционно управлять работой тяговых электроаппаратов и электрических
машин. Работа косвенной (дистанционной) системы управления
ЭПС поясняется на рисунке 5.5 и в таблице 5.1.
Рассмотрим порядок работы дистанционной системы управления на примере ЭПС с контакторно-резисторным пуском одного
ТЭД. Граница между схемой силовых цепей и схемой цепей управления показана на рисунке 5.5 вертикальной штриховой линией MN.
59

КС

Тп
QF
IЯ
RП1

RП2

5

M

4

10

11 12

3

IУ

2

1

0
13

6

К1

7
К2

8

К3

9

IУ

14

IЯ
ОЯ
ОВ

АБ
N

КС – контактная сеть; ТП – токоприемник; QF – автоматический выключатель;
К1, К2 и К3 – индивидуальные электромагнитные контакторы; RП1 и RП2 – пусковые резисторы; ОЯ – обмотка якоря; ОВ – обмотка возбуждения; АБ – аккумуляторная батарея;
цифры 0, 1, 2, 3 – позиции контроллера машиниста; 4 – указатель позиций;
5 – рукоятка контроллера; 6, 7, 8, 9 – контакты на барабане контроллера; 10 – тяга,
изолирующая силовые контакты контроллера от цепи управления; 11 – якорь электромагнита; 12 – электромагнит с катушкой; 13 – медные сегменты на изолирующем
материале барабана; 14 – корпус контроллера

Рисунок 5.5 – Косвенная система управления ЭПС

Слева от линии MN расположена схема силовых цепей, а справа –
схема цепей управления. На нулевой позиции контроллера машиниста (КтМ), когда указатель позиций 4 стоит против цифры 0, ток
управления IУ не протекает через катушки электромагнита 12, поэтому якорь 11 не притягивается к электромагниту 12 и силовые контакты контактора К1 разомкнуты. Следовательно, ток якоря IЯ в схеме силовых цепей не может протекать через контактор К1, пусковые
резисторы RП1, RП2, обмотку якоря ОЯ и обмотку возбуждения ОВ при
замкнутом выключателе QF.
При постановке рукоятки 5 на первую позицию (таблица 5.1) барабан контроллера поворачивается по часовой стрелке и через мед60

ные сегменты 13 замыкаются контакты 6 и 7, тем самым создается
следующая цепь для протекания тока управления IУ: плюс аккумуляторной батареи АБ, контакты 7–6 на барабане КтМ, катушка электромагнита 12 и далее к минусу АБ. Сердечник электромагнита 12
намагничивается и притягивает к себе якорь 11. Благодаря перемещению якоря и изолирующей тяги 10 замыкаются силовые контакты электромагнитного контактора К1, тем самым создается цепь
для протекания тока якоря IЯ через выключатель QF, контактор К1,
пусковые резисторы RП1 и RП2 и обмотки ТЭД. После постановки
КтМ на вторую позицию через медные сегменты барабана ток управления протекает через катушки электромагнитов контакторов К1
и К2, при этом силовые контакты контактора К2 шунтируют пусковой резистор RП1.
Таблица 5.1 – Таблица замыкания контакторов
Позиция

Замкнуты контакты
контроллера

Замкнуты
контакторы

Rп в цепи ТЭД

0

–

–

–

1

6, 7

К1

2

6, 7, 8

К1, К2

Rп1 + Rп2

3

6, 7, 8, 9

К1, К2, К3

Rп2

Rп = 0

На третьей позиции КтМ замыкаются силовые контакты всех трех
контакторов, причем контакторы К2 и К3 шунтируют пусковые резисторы RП1 и RП2, и ТЭД работает на напряжении контактной сети,
что соответствует максимальной скорости ЭПС.

5.3 Особенности конструкции и принципы управления ЭПС
постоянного тока с тяговыми двигателями переменного тока
На ЭПС можно применять три типа тяговых двигателей переменного тока:
– синхронный двигатель;
– асинхронный двигатель (АТД);
– двигатель на постоянных магнитах.
На современном ЭПС в основном применяют АТД как более эффективные; перспективным направлением считается использование
двигателей на постоянных магнитах. В сравнении с двигателями по61

стоянного тока двигатели переменного тока имеют более простую
конструкцию, а также меньшие вес и габариты при той же мощности. Это объясняется отсутствием в двигателе переменного тока щеточно-коллекторного узла – механического преобразователя, благодаря которому двигатель можно непосредственно подключать
в питающую сеть постоянного тока. Поэтому при использовании на
ЭПС постоянного тока тягового двигателя переменного тока наличие преобразователя как внешнего устройства становится обязательным требованием. На современном ЭПС применяют только статические преобразователи на полупроводниковой элементной базе,
которую составляют диоды, тиристоры и транзисторы. На электровозах преобразователь размещают в кузове, на МВПС – под кузовом моторного вагона.
Главным элементом конструкции преобразователя является инвертор, который выполняет две функции:
– преобразует постоянное напряжение на входе преобразователя
в переменное трехфазное для питания двигателя переменного тока;
– регулирует частоту выходного тока для изменения угловой скорости вращения вала двигателя n и вращающего момента М.
=
n

60 ⋅ f
(1 − S ),
P

(5.7)

где f – частота питающего напряжения, Гц;
Р – число пар полюсов АТД;
S – скольжение ротора, о. е.
=
M CM

U 2 S ⋅ RP
⋅
,
f
Z Р'

(5.8)

где CМ – машинная постоянная для момента;
U – напряжение статорной обмотки;
RР – активное сопротивление роторной обмотки;
Z’Р – относительное реактивное сопротивление роторной обмотки.
Учитывая, что на величину вращающего момента двигателя
кроме частоты тока также влияет величина входного напряжения
(см. формулу 5.8), конструкцию преобразователя дополняют импульсным регулятором либо применяют инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
62

Структурные схемы силовых цепей ЭПС постоянного тока с АТД
с импульсным регулятором и с ШИМ-инвертором приведены соответственно на рисунках 5.6 и 5.7.
3 кВ
Цепь защиты промежуточного
звена постоянного напряжения
от динамических перенапряжений

Входной
фильтр
=/=

сетевой
фильтр

Импульсный
регулятор

=/≈
Ud

Промежуточное звено
Инвертор
постоянного напряжения

Тяговый
двигатель

Рисунок 5.6 – Структурная схема силовых цепей ЭПС постоянного тока
с входным импульсным регулятором
3 кВ
Входной
фильтр

Цепь защиты промежуточного
звена постоянного напряжения
от динамических перенапряжений
=/≈

сетевой
фильтр
Ud

Промежуточное звено Инвертор
постоянного напряжения

Тяговый
двигатель

Рисунок 5.7 – Структурная схема силовых цепей ЭПС постоянного тока
с ШИМ-инвертором
63

5.4 Особенности конструкции и принципы управления ЭПС
переменного тока с тяговыми двигателями постоянного тока
К особенностям конструкции ЭПС переменного тока по сравнению с ЭПС постоянного тока следует отнести более расширенный
перечень электрооборудования, что объясняется двумя причинами:
– потенциальной развязкой силовой цепи тяговых двигателей по
отношению к тяговой сети;
– преобразованием переменного тока питающей цепи в постоянный ток для питания тяговых двигателей.
Потенциальная развязка цепи ТЭД относительно тяговой сети
переменного тока имеет важные преимущества по сравнению со
схемой непосредственного включения ТЭД в тяговую сеть постоянного тока:
– возможные перенапряжения и нестабильность питающего напряжения контактной сети практически не влияют на работоспособность тяговых двигателей;
– появляется возможность выбора более оптимального номинального напряжения питания тяговых двигателей с их постоянным
включением в параллельную цепь друг к другу.
Потенциальная развязка реализуется тяговым трансформатором.
Тяговый трансформатор также понижает напряжение контактной
сети для питания ТЭД. За счет изменения коэффициента трансформации тягового трансформатора происходит ступенчатое регулирование напряжения ТЭД и скорости ЭПС переменного тока.
Благодаря трансформаторной электрической развязке, цепь тяговых двигателей значительно упрощается, так как отпадает необходимость в вариациях групп соединений ТЭД в связи с наличием
возможности регулировать коэффициент трансформации тягового
трансформатора, а сами тяговые двигатели работают более надежно.
Для преобразования переменного тока в постоянный ЭПС переменного тока оборудуется полупроводниковыми выпрямителями.
В отличие от электрооборудования механическая часть ЭПС переменного тока принципиально никак не отличается от ЭПС постоянного тока.
Таким образом, сравнивая между собой особенности конструкции и характеристики ЭПС постоянного и переменного тока, следует отметить следующие достоинства последнего:
– более высокая эксплуатационная надежность тяговых электродвигателей;
64

– реализация большей тяговой мощности при одинаковых массо-габаритных показателях;
– более простая реализация возможностей плавного регулирования режимов работы тяговых и вспомогательных электрических машин.
Отметим также и основные недостатки ЭПС переменного тока:
– более высокая стоимость электрооборудования, сложность
его обслуживания и ремонта (этот недостаток связан, в первую очередь, с применением габаритного и тяжелого тягового трансформатора, дорогих в производстве электронных выпрямителей, дополнительных вспомогательных электрических машин: фазорасщепителя
и мотор-насоса);
– меньше единицы коэффициент мощности;
– наведение помех в параллельно расположенных железной дороге линиях связи.
Учитывая достоинства и недостатки электроподвижного состава
различного рода питания, отдать предпочтение одному из них очень
сложно, однако если рассматривать тяговую сеть в целом, больше
достоинств можно найти в тяговой сети переменного тока. За счет
более чем восьмикратного повышения напряжения в контактной
сети (25 кВ против 3 кВ), с одной стороны, увеличивается расстояние между тяговыми подстанциями, с другой – потери электроэнергии в контактном проводе значительно снижаются, что позволяет
снижать его сечение и расход дорогостоящих металлов. Конструкция самих тяговых подстанций в сети переменного тока значительно упрощается, так как исчезает необходимость в выпрямительных
установках (они размещаются на ЭПС, который по сути представляет собой подстанцию на колесах).
Учитывая, что на ЭПС переменного тока применяются тяговые
двигатели постоянного тока, принципы управления будут такими же,
как на ЭПС постоянного тока, но с рядом особенностей:
– вместо трех возможных способов регулирования режимов работы ТЭД остаются только два: первый и третий;
– первый способ регулирования реализуется иначе.
Учитывая эти особенности, выражение для расчета скорости ЭПС
переменного тока изменится:
V =

U д − I я ⋅ rд
Cv ⋅ Ф

.

(5.9)

Напряжение Uд можно регулировать в требуемых пределах ступенчато за счет изменения коэффициента трансформации тягового
65

трансформатора либо плавно – выпрямительной установкой. Это
означает, что на ЭПС переменного тока не нужно применять реостатный пуск и способ изменения напряжения двигателей их перегруппировкой. Изменение скорости ЭПС переменного тока регулированием основного магнитного потока Ф реализуется по такому же
принципу, что и на ЭПС постоянного тока.
Рассмотрим принципиальную электрическую силовую схему ЭПС
переменного тока с двумя тяговыми двигателями (рисунок 5.8).
КС
Тп
ТТр
+а
(–)

НС

СР

РС

РС

РС

б–
(+)

2

1

СР

ВУ
3

4

ТЭД1

ТЭД2

КС – контактная сеть; ТП – токоприемник; ТТр – тяговый трансформатор;
НС – нерегулируемая секция вторичной обмотки трансформатора;
РС – регулируемая секция вторичной обмотки трансформатора;
ВУ – выпрямительная установка; СР – сглаживающий реактор

Рисунок 5.8 – Принципиальная электрическая схема ЭПС
переменного тока

В тяговую сеть переменного тока напряжением 25 000 В включен
трансформатор ТТр, вторичная обмотка которого разделена на одну
66

нерегулируемую секцию НС и три регулируемые секции РС. Цепь из
двух тяговых двигателей постоянного тока ТЭД1 и ТЭД2 подключается к вторичной обмотке трансформатора через управляемый двухполупериодный мостовой выпрямитель ВУ. Полярность потенциальных точек «а» и «б» на вторичной обмотке ТТр изменяется с частотой
50 Гц, в первый полупериод выпрямления ток (на рисунке 5.8 изображен сплошной стрелкой) пропускают тиристорные группы 1 и 4 через
цепь двух параллельно соединенных тяговых двигателей, во второй полупериод – ток (на рисунке 5.8 изображен пунктирной стрелкой) пропускают тиристорные группы 2 и 3, при этом направление тока в цепи
ТЭД сохраняется. Работа тиристорных групп показана в таблице 5.2.
Таблица 5.2 – Работа тиристорных групп в оба полупериода
выпрямления
Полупериод выпрямления

Тиристорная группа

I

1, 4

II

2, 3

Ступенчатое регулирование напряжения на зажимах ТЭД реализуется изменением коэффициента трансформации ТТр:
К тр ≈

w1
,
w2

(5.10)

где w1 – число витков первичной обмотки трансформатора;
w2 – число витков вторичной обмотки трансформатора.
Вторичная обмотка трансформатора на рисунке 5.8 секционирована, это позволяет изменять w2 и Ктр. В момент пуска ЭПС в цепь
тяговых двигателей включена только секция НС, это означает, что
w2 = (w2)min и Ктр = (Ктр)max, т. е. напряжение, подаваемое в цепь тяговых двигателей, будет минимальное (порядка 50 В). Для увеличения
скорости машинист постепенно включает во вторичной обмотке ТТр
регулируемые секции РС, повышая тем самым w2 и снижая Ктр. При
этом напряжение на ТЭД ступенчато возрастает:
U2 =

U1
,
К тр

(5.11)

где U2 – напряжение в цепи вторичной обмотки трансформатора;
U1 – напряжение первичной обмотки.
67

Для получения максимальной скорости движения, секции вторичной обмотки ТТр включаются полностью, что соответствует Ктр = 25,
при этом напряжение на зажимах ТЭД поднимается до 1000 В.
Плавное регулирование напряжения на зажимах ТЭД реализуется
управляемой ВУ, состоящей из тиристорных плеч. За счет изменения
угла отпирания тиристоров напряжение в цепи тяговых двигателей
изменяется плавно. Такой принцип регулирования напряжения называется зонно-фазовым и применяется на современных электровозах переменного тока 2ЭС5К и ЭП1М. Принципиальная схема зонно-фазового регулирования напряжения приведена на рисунке 5.9.

I

III

Т1

Т3

Т5

Т7

Т2

Т4

Т6

Т8

К тяговым
двигателям

II

Рисунок 5.9 – Принципиальная схема зонно-фазового
регулирования напряжения

На рисунке 5.9 вторичная обмотка трансформатора разделена на
три секции, выходные напряжения секций I и II одинаковые и в сумме дают такое же напряжение, что и секция III. Выпрямитель полностью управляемый и состоит из восьми плеч, порядок работы которых приведен в таблице 5.3. Каждое плечо выпрямителя может
работать в трех режимах:
– закрытого состояния (пустая ячейка);
– открытого состояния с нерегулируемым углом отпирания тиристоров (α0);
– открытого состояния с регулируемым углом отпирания тиристоров (αр).
68

В зависимости от комбинации включенных плеч выпрямителя,
напряжение Ud, подаваемое в цепь тяговых двигателей, регулируется
в четырех зонах в пределах, указанных в последнем столбце таблицы.
Таблица 5.3 – Порядок работы плеч выпрямления и зоны
регулирования напряжения
Зона

Т1

Т2

1
2

αр

αр

3
4

αр

αр

Т3

Т4

Т5

Т6

αр

α0

αр

α0

α0

α0

α0

α0

αр

αр

α0

α0

α0

α0

Т7

Т8

Ud , В
0…300
300…600

α0

α0

600…900

α0

α0

900…1200

Следует отметить, что двухполупериодная схема выпрямления
обеспечивает в цепи тяговых двигателей не «идеальный» постоянный
ток, а пульсирующий, отрицательно сказывающийся на работе ТЭД
постоянного тока. Для снижения пульсаций выпрямленного тока в
цепь ТЭД включают сглаживающие реакторы, а для уменьшения отрицательного влияния пульсаций изменяют конструкцию тяговых двигателей и называют их тяговыми двигателями пульсирующего тока.

5.5 Особенности конструкции и принципы управления ЭПС
переменного тока с тяговыми двигателями переменного тока
При применении на ЭПС переменного тока тяговых двигателей
переменного тока на первый взгляд конструкция электрооборудования должна упроститься: однофазный ток промышленной частоты
на выходе трансформатора преобразуется в трехфазный и через непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) подается на АТД.
Однако энергетические показатели и регулировочные свойства такого ЭПС будут низкими, например, выходная частота НПЧ не может превышать частоту питающей сети. Поэтому на магистральном
ЭПС переменного тока напряжение преобразуется дважды: выпрямителем переменное напряжение преобразуется в постоянное, затем инвертором – в трехфазное синусоидальное напряжение регулируемой частоты и амплитуды. Структура силовой цепи ЭПС
переменного тока зависит от наличия рекуперативного тормоза,
если рекуперативное торможение не предусмотрено, то применяется
69

схема с управляемым выпрямителем на входе и инвертором на выходе
(рисунок 5.10). Инвертор выполняет функции частотного регулятора, поэтому такая схема будет не сложной и относительно не дорогой.
25 кВ, 50 Гц
Тяговый
трансформатор

Цепь защиты промежуточного
звена постоянного напряжения
от динамических перенапряжений

Ud

Выпрямитель

Промежуточное звено
Инвертор
постоянного напряжения

Тяговый
двигатель

Рисунок 5.10 – Структура силовой цепи ЭПС переменного тока с АТД
без рекуперативного тормоза
а) с поосным регулированием силы тяги
25 кВ, 50 Гц

б) с потележечным регулированием силы тяги
25 кВ, 50 Гц

Рисунок 5.11 – Структура силовой цепи ЭПС переменного тока с АТД
с рекуперативным тормозом

Если рекуперативное торможение на ЭПС переменного тока
предусмоттрено, то применяется схема с четырехквадрантными ре70

гуляторами (4qS) и ШИМ-инверторами (рисунок 5.11). Схема на рисунке 5.11, а позволяет поосно регулировать силу тяги и применяется на электровозах, в схеме на рисунке 5.11, б сила тяги регулируется
потележечно, ее применяют на электропоездах. 4qS-регуляторы в режиме тяги работают как управляемые выпрямители, а в режиме рекуперации как инверторы, они существенно сложнее и дороже, но
обладают более высокой энергоэффективностью.

5.6 Тяговая характеристика ЭПС
Тяговой характеристикой электроподвижного состава и любого другого локомотива называется зависимость силы тяги от скорости движения.
Как указывалось выше, большинство серийных отечественных
локомотивов, за исключением мотовозов, тепловозов с гидропередачей и дизель-поездов с гидропередачей, имеют тяговые электродвигатели постоянного тока. Скорость этих локомотивов можно рассчитать по формуле (5.9), а силу тяги по формуле

Fк= nд ⋅ Fкд= nд ⋅ 3,6 ⋅C v ⋅ Φ ⋅ I я − ∆Fк ,

(5.12)

где Fк, Fкд – соответственно силы тяги локомотива и тягового двигателя;
ΔFк – потери силы тяги локомотива;
nд
– количество тяговых двигателей.
Если в выражениях (5.9) и (5.12) за независимую переменную
взять ток якоря двигателя Iя, то можно табличным способом построить зависимость Fк(V) для различных значений тока якоря (таблица
5.4, рисунок 5.12).
Таблица 5.4 – Расчет тяговой характеристики локомотива
Ток якоря Iя, А

Величина CvФ, В·ч/км

V, км/ч

Fкд, Н

Fк, Н

100
200
300
400
500
600

71

Как видно из рисунка 5.12, тяговая характеристика локомотива
с тяговыми двигателями постоянного тока напоминает собой гиперболу. Характеристика такого вида отвечает условиям тяги поездов:
– реализация максимального тягового усилия в момент трогания
поезда с места, когда сопротивление движению очень велико;
– постоянство потребляемой электрической мощности во всем
диапазоне регулирования скорости.
Fк

Fcц(V)

Fк(V)

Vmax

V

Рисунок 5.12 – Тяговая характеристика локомотива и ее ограничения

Сверху и справа тяговая характеристика лимитируется:
– сила тяги локомотива ограничивается максимальной силой сцепления Fсц (на рисунке 5.12 зависимость Fсц (V));
– скорость локомотива ограничивается максимальной (конструкционной) скоростью Vmax.
Площадь на рисунке 5.12, ограниченная справа прямой Vmax, снизу – осью V, слева – осью Fк, сверху – кривой Fсц(V), называется рабочей областью тяговых характеристик локомотива.

72

6 Принцип действия и конструкция электродвигателя
постоянного тока

6.1 Условия работы тяговых электродвигателей
и требования, предъявляемые к ним
Тяговые электрические двигатели (ТЭД) на ЭПС предназначены
для преобразования электрической энергии, получаемой из контактной сети, в механическую энергию движения поезда. В режиме электрического торможения (рекуперации) – для превращения кинетической энергии поезда в электрическую энергию.
Тяговые электродвигатели работают в более тяжелых условиях,
чем стационарные электродвигатели, так как подвержены:
– воздействию внешней среды (пыли, влаги, колебаниям температуры);
– вибрации от воздействия пути на электровоз;
– изменению нагрузки в широких пределах;
– колебаниям напряжения в контактной сети.
Поэтому к тяговым двигателям предъявляются особые требования. ТЭД должны:
– иметь большую мощность при малых габаритах;
– обладать высокой перегрузочной способностью и выдерживать
частые пуски;
– обеспечивать изменение частоты вращения в широких пределах;
– иметь хорошую коммутацию при динамических воздействиях
на него колесной пары, при колебаниях напряжения в контактной
сети и запыленности внешней среды;
– иметь высокую прочность;
– устойчиво работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.
В настоящее время практически весь ЭПС в эксплуатации оснащен ТЭД постоянного и пульсирующего тока, мощность которых
достигает 600 – 700 кВт. ТЭД пульсирующего тока используются на
ЭПС переменного тока и имеют конструктивные отличия по сравнению с ТЭД постоянного тока.
73

6.2 Принцип действия тягового электродвигателя
постоянного тока
В основе принципа действия электродвигателя лежит закон электромагнитной индукции.
На проводник с током, помещенный в магнитное поле постоянного магнита, со стороны магнитного поля действует сила, которая
стремится вытолкнуть его за пределы поля, перемещая проводник
перпендикулярно магнитным силовым линиям поля. Эта сила называется силой Ампера.
При условии, что источник магнитного поля неподвижен, а проводник с током может перемещаться, под действием силы Ампера проводник начнет вращаться и совершит механическую работу.
Количественно сила Ампера, действующая на один проводник с током, пропорциональна произведению магнитной индукции В, тока I1
в проводнике и длины проводника lП:
F1 = B ⋅ I 1 ⋅ lП ⋅ sin α ,

(6.1)

где F1 – элементарная сила Ампера, действующая на один проводник с током, Н;
В – магнитная индукция, Тл;
I1 – ток в одном проводнике, А;
lП – длина проводника, м.
Направление силы Ампера определяется правилом левой руки:
ладонь левой руки нужно расположить так, чтобы магнитные силовые линии поля входили в нее, четыре вытянутых пальца указывали направление тока, тогда отогнутый на 90° большой палец укажет
направление силы Ампера. Порядок применения этого правила поясняется на рисунке 6.1. В магнитное поле Ф между полюсами N и S
помещаются расположенные горизонтально и показанные окружностями проводники 1 и 2, представляющие собой медные шины круглого сечения. Предположим, что на рисунке 6.1, а проводники не
связаны между собой. Если пропускать по этим проводникам ток, то
необходимо задать его направление. Кружок с крестом проводника 1
условно означает, что по нему протекает ток, направленный «от нас»,
а кружок с точкой проводника 2 – соответственно ток, направленный
«к нам». Применив правило левой руки, получим, что на проводник
1 действует сила F1, направленная влево, а на проводник 2 – сила F1,
направленная вправо. Для изменения направления силы Ампера не74

обходимо изменить направление магнитного поля или направление
тока. Если же одновременно изменить направление магнитного поля
и тока в проводнике, то направление силы останется неизменным.
Основываясь на этих принципах, можно получить конструкцию
простейшего электродвигателя, которая приведена на рисунке 6.1, б.
Рассмотрим два проводника: конец первого проводника А–В соединим с началом второго C–D, а конец второго с началом первого
и получим прямоугольную рамку A–B–C–D, которую разместим на
стальном цилиндре, закрепленном в подшипниках и имеющем возможность вращаться вокруг оси 5–6. Стальной цилиндр должен продолжаться за пределы рамки по направлению «к нам», тогда на нем
можно установить изолированные друг от друга и от цилиндра два
медных полукольца: верхнее 1 и нижнее 2. Эти полукольца электрически соединим с рамкой. В результате получим конструкцию, в которой рамка и медные изолированные полукольца, располагаясь на
стальном цилиндре, могут вращаться вокруг оси 5–6, при этом рамка пронизывается магнитным потоком Ф полюсов N и S.
Затем на каждом полукольце установим и закрепим угольные щетки 3 и 4, соединив их через резистор R с регулируемым сопротивлением и ключ Q с зажимами «плюс» и «минус» источника энергии UИС.
а

б

N
N
1

F1
Ф

2

F2

Ф
Q

S

I1

A
R

UИС

6

F1

3

7
М1

1

7

8

8 I2

C
F2

D
5

2

S

4

а) для отдельных проводников; б) для рамки A–B–C–D

Рисунок 6.1 – Применение правила левой руки
75

После замыкания ключа Q ток от зажима «плюс» будет протекать
по цепи: резистор R, щетка 3, медное полукольцо 1, проводник А–В
(ток I1), проводник C–D (ток I2), медное полукольцо 2, щетку 4 к зажиму «минус» этого же источника. Очевидно, что токи I1 и I2, а также
силы F1 и F2, действующие на проводники, равны, но имеют противоположное направление согласно правилу левой руки. Таким образом, возникает пара сил F1–F2, действующих в одной плоскости и создающих вращающий момент:
M1 = F1 · lВС,

(6.2)

где lВС – расстояние между проводниками рамки.
Изменяя величину сопротивления резистора R, можно при необходимости увеличить токи I1, I2 в проводниках рамки, а следовательно, и силы F1, F2 и вращающий момент M1.
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея при перемещении проводника с током в магнитном поле в нем наводится ЭДС вращения.
Направление ЭДС вращения Е определяется правилом правой
руки: ладонь правой руки следует расположить так, чтобы силовые
линии магнитного поля входили в нее, большой отогнутый палец указывал направление перемещения проводника со скоростью VЯ, тогда четыре вытянутых пальца укажут направление ЭДС вращения Е.
На рисунке 6.2 у проводника 1 ЭДС вращения Е имеет направление «к нам» (внутри точка), а у проводника 2 – направление «от
нас» (внутри крест). Если сравнить рисунок 6.1, а и рисунок 6.2, можно установить, что ЭДС вращения противоположна току, протекающему в проводнике,
а значит, и приложенному напряжению. ПоN
этому для обеспечения вращения приложен1
2
Vя
Vя
ное напряжение должно быть больше ЭДС
вращения. Это обстоятельство вызывает неФ
обходимость потребления машиной электриS
ческой энергии из сети. Так как ток и ЭДС
вращения в проводниках имеют противоположное направление, по этой причине ЭДС
Рисунок 6.2 –
Применение правила вращения в технической литературе часто направой руки
зывают «противоЭДС».

76

6.3 Конструкция тягового двигателя постоянного тока
Рассмотрим поперечный разрез ТЭД постоянного тока, конструктивная схема которого изображена на рисунке 6.3. Основными узлами двигателя являются: остов 1 с полюсами 2, несущими на себе
обмотку возбуждения 3, сердечник якоря 4, в пазах которого уложены проводники 5, образующие обмотку якоря, коллектор 8, щеточный аппарат.
3

a

1

б

2
7

N
F1
F2

S

Ф

9

8
Мя

F3

М

3

Ф

7
Ф

Дя

S

lя
Ф

N
6

4
10
5

N

а) поперечный разрез ТЭД по линии M–N: 1 – остов; 2 – сердечник главного полюса; 3 – катушка обмотки возбуждения; 4 – сердечник якоря; 5 – проводник обмотки якоря; 6 – воздушный зазор; 7 – вал якоря; 10 – пазы сердечника.
б) вид сбоку на якорь и коллектор ТЭД: 7 – вал якоря; 8 – коллектор ТЭД;
9 – якорь ТЭД

Рисунок 6.3 – Конструктивная схема тягового двигателя постоянного тока

Остов является неподвижной частью и по этому признаку называется статором, якорь в процессе работы двигателя вращается и называется ротором. Остов 1 представляет собой тонкостенную пустотелую стальную литую или сварную конструкцию круглой формы или
в виде восьмигранника. Снаружи остов имеет с одной стороны при77

ливы для подвешивания ТЭД к раме тележки, а с другой стороны –
приливы для установки моторно-осевых подшипников, через которые
ТЭД жестко опирается на ось колесной пары. Сверху к остову присоединяются патрубки системы вентиляции, а сбоку и снизу предусмотрены смотровые люки. С торцов остов ТЭД имеет горловины, через
которые в него устанавливают полюса, якорь и которые закрываются подшипниковыми щитами. В этих щитах размещаются моторноякорные подшипники, в которых закрепляются концы вала якоря.
Главные полюсы служат для создания основного магнитного потока и представляют собой сердечники, на которых расположены катушки обмоток возбуждения. Сердечники главных полюсов 2, как
и сердечник якоря 4, набираются из тонких листов электротехнической стали для уменьшения вихревых токов, вызывающих нагрев сердечников и, следовательно, потери энергии. Чтобы обеспечить необходимое распределение магнитного потока по поверхности якоря,
сердечнику придают Т-образную форму (рисунок 6.4). В пазах наконечника главных полюсов располагают компенсационную обмотку
для компенсации реакции якоря [5; 6].

Рисунок 6.4 – Сердечник главного полюса

Обмотки возбуждения главных полюсов выполняют в виде катушек 3 из медного прямоугольного профиля. Полярность полюса определяется направлением тока в обмотке возбуждения, которое задается крестом (направление «от нас») и точкой (направление
«к нам»). Если смотреть со стороны вала якоря 7 на верхний северный полюс N (см. рисунок 6.3, а) и его катушку обмотки возбуждения, то можно установить: в левой части катушки ток возбуждения
в витках протекает «от нас» (показан крест), а в правой части – «к
нам» (показана точка). У правого южного полюса S в витках левой
части катушки ток возбуждения протекает по направлению «к нам»
(показана точка), а в витках правой части – по направлению «от нас»
(показан крест). Таким образом, при обходе главных полюсов осто78

ва по часовой стрелке вокруг вала якоря их полярность меняется,
и достигается это посредством подключения начала катушки верхнего полюса N к началу катушки правого южного полюса S, затем подключением конца катушки правого южного полюса S к концу катушки нижнего северного полюса N и т. д. В результате в одних катушках
главных полюсов ток возбуждения протекает от начала к концу,
а в других – от конца катушки к началу. Число главных полюсов всегда четное (обычно 4 или 6 у электровозов постоянного тока и 6 у электровозов переменного тока).
Остов, сердечники полюсов и якоря, а также воздушный зазор
между сердечником полюса и якорем образуют магнитную цепь ТЭД,
по которой замыкается магнитный поток Ф главных полюсов.
Дополнительные полюсы необходимы для компенсации реактивной ЭДС, возникающей при коммутации [5; 6]. Такой полюс состоит
из сплошного стального сердечника (так как здесь вихревые токи незначительны) и катушки возбуждения. Катушки дополнительных полюсов также соединяются между собой последовательно. Количество
дополнительных полюсов всегда равно количеству главных полюсов.
Якорь тягового двигателя служит для создания магнитного потока, который, взаимодействуя с магнитным потоком главных полюсов, создает вращающий момент тягового электродвигателя.
Сердечник якоря выполняют шихтованным. Перед его сборкой
у круглых листов электротехнической стали по внешней окружности
штамповкой делают прямоугольные вырезы. После сборки листов
в пакет эти вырезы образуют продольные пазы 10, в которых размещают проводники 5 обмотки якоря.
Вал якоря изготавливают из стали повышенного качества. Для
удобства работ по замене «уставших» валов сердечник собирают на
специальной втулке, а не непосредственно на валу. Это позволяет
при необходимости выпрессовывать вал из втулки, не разбирая сердечник, обмотку и коллектор.
Обмотку якоря укладывают в пазы его сердечника и соединяют
один с другим в определенной последовательности, чтобы все силы
взаимодействия, возникающие между проводниками с током и магнитным потоком, стремились вращать якорь двигателя в одну сторону. Для этого соединяемые проводники, образующие виток, должны
быть расположены один от другого на расстоянии, примерно равном
расстоянию между полюсами.
Начало и конец витка присоединяют к разным коллекторным пластинам в определенной последовательности, образуя таким образом
79

обмотку якоря. Отдельные витки, составляющие обмотку, называют секциями.
Обмотку якорей выполняют двух видов: волновую и петлевую (рисунок 6.5). В настоящее время петлевая обмотка применяется в тяговых двигателях, а волновая – в двигателях вспомогательных машин.
а 			б

N

S

N

S

N

S

Рисунок 6.5 – Петлевая (а) и волновая (б) обмотки якоря

Коллектор – один из основных и наиболее ответственных узлов тягового двигателя. Коллектор в ТЭД выполняет две важные функции:
– через пластины коллектора ток от стационарного источника
подводится в обмотку вращающегося якоря;
– с помощью коллектора изменяется направление тока в проводниках обмотки якоря при перемещении их из зоны действия одного полюса в зону другого. Это необходимо для сохранения направления силы Ампера.
Диаметр коллектора современных тяговых двигателей превышает 800 мм, число пластин достигает 600.
Медные пластины коллектора имеют в сечении форму клина.
Пластины изолированы друг от друга прокладками из изоляционного материала, обладающего высокой электрической прочностью,
теплостойкостью и влагостойкостью, – миканита.
В нижней части коллекторные и изоляционные пластины имеют
форму так называемого «ласточкиного хвоста» (рисунок 6.6). «Ласточкины хвосты» пластин и прокладок надежно закрепляют, чтобы обеспечить сохранение строго цилиндрической формы коллектора, что очень важно, так как к поверхности коллектора постоянно
прижимаются щетки. Если хотя бы одна пластина выйдет за очертания окружности коллектора, то щетки начнут подпрыгивать, искрить, что может привести к повреждению двигателя. Коллекторные
пластины имеют выступы, называемые «петушками», в которых сделаны прорези для закрепления в них концов секций обмотки якоря.
80

Скользящий контакт между неподвижными электрическими цепями и вращающейся обмоткой якоря тягового двигателя осуществляют щетки, которые вставлены в щеткодержатели. Щеткодержатель обеспечивает правильное положение щетки по отношению
к поверхности коллектора. Щетки для тяговых двигателей изготавливают из графита.

Рисунок 6.6 – Коллекторная пластина

В момент, когда щетка замыкает две пластины коллектора, мгновенно изменяется направление тока на обратное в проводниках секции обмотки якоря. Этот процесс называется коммутацией тока
в обмотке якоря ТЭД.

6.4 Конструктивные отличия двигателя пульсирующего тока
В системе электрической тяги переменного тока на электровоз
из контактной сети поступает переменный ток, преобразующийся
выпрямительной установкой в выпрямленный ток, который недостаточно идеально сглажен и поэтому имеет пульсации. Для ликвидации потерь энергии из-за этих пульсаций в двигателях пульсирующего тока применяют шихтованные вставки в остове и шихтованные
дополнительные полюса, большее число пар полюсов и компенсационную обмотку.

81

7 Конструкция и принципы управления тепловозов
и дизель-поездов

7.1 Виды передач мощности тепловозов и дизель-поездов
Наличие промежуточной передачи на локомотивах с тепловым
двигателем, значительно усложняющей цепочку преобразования
энергии (см. рисунок 2.3), вызвано следующей необходимостью.
Естественная тяговая характеристика дизеля совсем не подходит для
тяги поездов (рисунок 7.1). Если вал дизеля напрямую соединить
с колесными парами, то силы тяги локомотиву может не хватить для
преодоления силы сопротивления троганию с места и при движении
на крутых подъемах. С другой стороны, характеристика такого вида
не позволяет полностью использовать мощность дизеля. Для получения необходимой тяговой характеристики на тепловозах применяют три вида передач:
– механическую;
– гидравлическую;
– электрическую.
Мд

nд

Рисунок 7.1 – Тяговая характеристика дизеля
82

В механической передаче требуемая тяговая характеристика получается за счет выбора передаточного отношения редуктора трансмиссии по следующему принципу: чем выше скорость, тем ниже
передаточное отношение. Механическую передачу применяют на
тепловозах особой малой мощности (до 200 кВт), которые называются мотовозами. Применение механической передачи на больших
мощностях нецелесообразно в связи с увеличением размеров коробки передач и значительным ухудшением продольной динамики поезда при переключении передач.
Гидравлическая передача мощности представляет собой пару гидравлических аппаратов, из которых один (гидронасос) соединен
с валом дизеля, а другой (гидродвигатель) работает за счет энергии
жидкости, нагнетаемой насосом.
Выходной вал гидродвигателя через осевой редуктор соединяется с колесными парами локомотива. К достоинствам гидропередачи следует отнести:
– небольшой вес;
– относительно низкую стоимость;
– реализацию высокого коэффициента сцепления колес с рельсом за счет группового привода колесных пар.
Особенность применения гидропередач состоит в следующем.
КПД гидропередачи почти никак не зависит от номинальной мощности дизеля и целиком определяется передаточным отношением частоты вращения гидродвигателя к частоте гидронасоса. Тогда
удельная масса гидропередачи на единицу передаваемой мощности
снижается линейно с увеличением мощности дизеля. В связи с этим
гидропередачу целесообразно применять на тепловозах средней мощности (до 1000 кВт), а также на дизель-поездах.
В электрической передаче механическая мощность дизеля пре­
образуется в электрическую генератором, нагрузкой которого являются тяговые электродвигатели. Электрическая передача является самой сложной по конструкции и самой дорогой в изготовлении,
так как требует применения дорогостоящих изоляционных материалов, цветных металлов, высококачественной стали. Однако эти недостатки передачи полностью компенсируются ее преимуществами,
характерными для электроподвижного состава, которые становятся
более значимыми при применении на тепловозе дизеля мощностью
более 1000 кВт. Основные из них:
– высокий КПД передачи и дизеля во всем заданном рабочем диапазоне;
83

– высокая степень использования мощности дизеля во всем диапазоне рабочих скоростей;
– высокие долговечность и надежность;
– возможность реализации электродинамического торможения.
Электрическая передача получила широкое применение на магистральных и некоторых маневровых тепловозах, а также автономных
тяговых агрегатах с дизельной установкой.

7.2 Конструктивные схемы и система обозначения
тепловозов и дизель-поездов
Первые опытные тепловозы появились в нашей стране еще в 1924 г.
Это были тепловозы с электрической передачей Щэл1 системы
Я. М. Гаккеля и Юэ001 системы Ю. В. Ломоносова. Тепловоз Щэл1
имел осевую формулу
1 – 3о – 0 + 0 – 4о – 0 + 3о – 1.

(7.1)

Осевая формула тепловоза Юэ001 записывалась как
1 – 5о – 1.

(7.2)

Так как этими тепловозами эпоха отечественного и мирового тепловозостроения только начиналась, их конструкция была далека
от совершенства, что приводило к многочисленным простоям в ремонте, особенно много отказов приходилось на дизель и электро­
оборудование.
Попытки отечественной промышленности разработать надежный
тепловоз продолжались до 1937 г., но в связи с низкой эксплуатационной надежностью опытных образцов производство ограничивалось мелкими партиями, направлявшимися, как правило, на Ашхабадскую железную дорогу, где эксплуатация паровозов была особо
затруднительна в условиях дефицита воды.
С начала 1945 г. на отечественные железные дороги стали поступать американские тепловозы АЛКО с электрической передачей постоянного тока фирмы «General Electric», которые имели кузов капотного типа и осевую формулу (3.3). Кузов капотного типа
и тележечный экипаж являлись главной особенностью этих тепловозов по сравнению с механической частью первых отечественных
тепловозов.
84

Концепция конструкции американских тепловозов, получивших обозначение ДА (дизельный локомотив завода АЛКО), легла
в основу первых отечественных тепловозов II поколения с кузовом
капотного типа серии ТЭ1 (тепловоз с электрической передачей
первая серия), которые строились с 1947 г. на Харьковском заводе
транспортного машиностроения. Через год на Харьковском заводе
было освоено производство оригинальных восьмиосных двухсекционных тепловозов серии ТЭ2 с кузовом вагонного типа и осевой формулой (3.5).
На основе конструкции тепловоза ТЭ1 Брянским машиностроительным заводом и Ворошиловградским тепловозостроительным
заводом стали строиться маневровые тепловозы с передачей постоянного тока серии ТЭМ2, где буква «М» указывала область его применения. Параллельно маневровые тепловозы с аналогичной ТЭМ2
конструктивной схемой поставлялись из Чехословакии заводом
ЧКД-Соколово, которые обозначались как ЧМЭ3 (чехословацкий
маневровый с электрической передачей, третья серия).
Конструктивная схема тепловоза ТЭ2 легла в основу следующей
серии более мощных двенадцатиосных двухсекционных тепловозов
ТЭ3 с осевой формулой
2(3о – 3о).

(7.3)

Конструктивная схема тепловозов серии ТЭ3 стала классической,
на ее основе были построены почти все отечественные магистральные грузовые тепловозы с электрической передачей: 2ТЭ10 (цифра
«2» указывала количество секций) и 2ТЭ116 (с электрической передачей переменно-постоянного тока).
Пассажирские тепловозы с электрической передачей обозначались аббревиатурой ТЭП, где буква «П» указывала область применения – пассажирское движение. Основу парка пассажирских тепловозов составили серии ТЭП10 Харьковского завода и ТЭП60
Коломенского локомотивостроительного завода, последние стали
одними из самых удачных по конструкции отечественных локомотивов. Оба тепловоза имели кузов вагонного типа и осевую формулу
(3.3). С 1979 г. Коломенский завод строит более мощные пассажирские тепловозы серии ТЭП70 с аналогичной тепловозу ТЭП60 конструктивной схемой и осевой формулой.
Тепловозы с конструктивной схемой третьего поколения начали
строиться серийно с 1980 г. Это были восьмиосные маневровые тепловозы с электрической передачей переменно-постоянного тока
85

серии ТЭМ7 Людиновского тепловозостроительного завода. Тепловоз ТЭМ7 имел кузов капотного типа и осевую формулу
2о + 2о – 2о + 2о.

(7.4)

Аналогичную осевую формулу имеют опытные пассажирские тепловозы ТЭП80 и двухдизельный маневровый тепловоз ТЭМ14.
В настоящее время Брянский машиностроительный завод выпускает в серийных масштабах маневровые тепловозы ТЭМ18ДМ с осевой формулой (3.3) и электрической передачей постоянно-постоянного тока и грузовые магистральные тепловозы 2ТЭ25КМ с осевой
формулой (7.3) и электрической передачей переменно-постоянного
тока на современной элементной базе.
Гидравлическая передача на магистральных тепловозах не получила широкого применения, единственным серийным магистральным тепловозом с гидропередачей был ТГ16, где буква «Г» указывала
тип передачи, предназначенный для эксплуатации на Сахалинской
ж. д., имеющей японский стандарт колеи шириной 1067 мм.
В основном гидропередача применяется на маневровых двух- (серии ТГК2, МГ1, МГ2 (австрийского производства), BN150 (чехословацкого производства)), трех- (серии ТГМ1, ТГМ23) и четырехосных
тепловозах (серии ТГМ2, ТГМ3, ТГМ6, ТГМ4) с кузовом капотного типа и групповым приводом колесных пар, большинство из которых рассчитаны для работы на подъездных путях промышленных
предприятий.
Механическая передача на тепловозах не используется, серийно
ее применяют на узкоколейных мотовозах (серии ТУ2М, ТУ2МК,
ТУ6, ТУ8, МУЗ-4, ТМУ61 и др.), автомотрисах (ДГКУ, АМ1, АС1А
и др.), дрезинах (ДМ, АГМУ и др.).
Сравнивая номинальные параметры тепловозов и ЭПС, следует
отметить, что по осевой нагрузке, конструкционной скорости, номинальной силе тяги эти виды локомотивов сопоставимы, но номинальная скорость тепловозов в два раза ниже. Усредненная номинальная скорость грузовых тепловозов составляет порядка 25 км/ч,
пассажирских – 50 км/ч. Это объясняется ограничением мощности
дизеля. Чтобы во всем диапазоне регулирования тяговыми двигателями тепловоза потреблялась одинаковая мощность, тяговая характеристика должна быть максимально приближена к идеальной гиперболе. На рисунке 7.2 приведены тяговые характеристики тепловоза
(сплошная линия) и электровоза (пунктирная линия) для номинального режима работы.
86

F

т

Vн

э

Vн

Vк

V

Vнт – номинальная скорость тепловоза; Vнэ – номинальная скорость электровоза;
Vк – конструкционная скорость локомотива

Рисунок 7.2 – Сравнение тяговых характеристик тепловоза и электровоза

Механическая часть тепловозов с электрической передачей
и электровозов имеет мало различий, основные из них:
– значительное расстояние и отсутствие сочленяющих узлов между тележками для размещения топливного бака;
– колесные пары меньшого диаметра и имеют бесспицевые колесные центры.
Все серийные тепловозы, выпускаемые в нашей стране для отечественных железных дорог, обозначаются буквой «Т», далее следует
обозначение передачи: Э – электрическая, Г – гидравлическая. Последняя буква указывает род деятельности тепловоза: П – пассажирский, М – маневровый. За буквенным обозначением следует номер
серии, который присваивается из модельного ряда соответствующего завода-изготовителя (например, 2ТЭ116 указывает на Луганский
тепловозостроительный завод). Если тепловоз двухсекционный или
с промежуточными бустерными секциями (без кабин управления),
то перед буквенным обозначением ставится цифра, соответствующая
количеству секций (например, 2ТЭ10Л, 3ТЭ10В, 4ТЭ10С). Единой
системы присвоения индексов в обозначении тепловозов нет, наиболее часто встречающиеся из них:
87

– Л, В – соответственно Луганский и Ворошиловградский заводы;
– М – модернизированный;
– К – с коллекторными тяговыми двигателями;
– Т – реостатное торможение.
Дизель-поезда предназначены для осуществления пригородных
перевозок на неэлектрифицированных направлениях крупных железнодорожных узлов. Учитывая область применения дизель-поездов, к ним предъявляются те же требования, что и к МВПС.
В дизель-поезде в отличие от электропоезда сложно реализовать
распределенную тягу, так как управление тепловыми двигателями по
системе многих единиц связано с рядом трудностей. В связи с этим
моторные вагоны в дизель-поездах являются головными и располагаются с обоих концов состава. Для реализации высоких разгонных
ускорений между моторными головными вагонами МГ располагают от одного до четырех прицепных промежуточных вагонов ПП по
схеме, приведенной на рисунке 7.3.
МГ + ПП + ПП + (ПП + ПП +)МГ
Рисунок 7.3 – Классическая схема формирования дизель-поезда

Так как дизель-поезда имеют мощность не более 1500 кВт, на них
чаще всего применяют гидропередачу. В отсутствии распределенной
тяги применение гидропередачи дает важное преимущество: реализацию более высокой силы тяги при трогании с места за счет применения группового привода колесных пар. Как и в МВПС, внутреннее
пространство моторных вагонов дизель-поезда стараются максимально использовать для размещения пассажиров, дизель и гидропередачу размещают компактно в изолированном отделении между кабиной управления и пассажирским салоном.
В прежние годы дизель-поезда поставлялись в нашу страну из
Венгрии (серия Д1) и Латвии (серия ДР1). Буква «Д» в обозначении
означала дизель-поезд, буква «Р» – рижский. В настоящее время дизель-поезда производятся мытищинским заводом «Метровагонмаш» –
обозначаются буквами РА (рельсовый автобус) и торжокским заводом – обозначаются ДТ1 (дизель-электропоезд торжокский). Составность поезда ДТ1 приведена на рисунке 7.4 и существенно отличается
от дизель-поездов предыдущих серий. В прицепных головных вагонах ПГ размещается дизель-генератор, в моторном промежуточном
вагоне МП – тяговые двигатели постоянного тока, которые могут
88

получать электроэнергию либо от дизель-генераторов вагонов ПГ,
либо из контактной сети постоянного тока. В зависимости от величины пассажиропотока схема формирования дизель-электропоезда
может меняться: прицепной промежуточный вагон из поезда можно
исключать либо, наоборот, эксплуатировать по системе многих единиц, как шести-, семи- или восьмивагонный поезд.
ПГ + МП +ПП + ПГ
Рисунок 7.4 – Составность дизель-электропоезда ДТ1

7.3 Особенности конструкции и принципы управления
тепловозов с электрической передачей
Как указывалось выше, в электрической передаче промежуточный преобразовательный узел состоит из приводимого дизелем
генератора (называемым главным или тяговым) и тяговых электро­
двигателей на колесных парах. По роду тока электрические передачи тепловозов бывают трех видов:
– постоянно-постоянного тока;
– переменно-постоянного тока;
– переменно-переменного тока.
В передаче постоянно-постоянного тока в качестве главного генератора и тяговых двигателей применяются только электрические машины постоянного тока. Электрическая функциональная схема четырехосного тепловоза с передачей постоянно-постоянного тока
приведена на рисунке 7.5.
Дизель

Муфта

Цепь
возбуждения
генератора
генератора

ТЭД1

ТЭД2

ТЭД3

ТЭД4

Генератор

Рисунок 7.5 – Схема электрической передачи
постоянно-постоянного тока
89

Принимая во внимание наличие на тепловозе электрического тягового привода, принципы управления им будут такими же, как на
ЭПС с электродвигателями постоянного тока, а скорость будет изменяться в соответствии с выражением (5.9). Это означает, что тепловоз с электрической передачей по сути является теплоэлектровозом –
имеет замкнутую тяговую систему с собственной электростанцией
на борту.
Первый способ регулирования скорости тепловоза согласно формуле (5.9) состоит в изменении подводимого к ТЭД напряжения.
Если тяговые двигатели соединяются параллельно (см. рисунок 7.5),
напряжение на их зажимах Uд будет определяться напряжением генератора Uг, которое может изменяться соответственно внешней характеристике (рисунок 7.6).
Зона I на рисунке 7.6 соответствует движению тепловоза с высокой скоростью, в этом случае внешняя характеристика ограничивается по максимальному напряжению генератора, а мощность дизеля используется не полностью.
Зона II является рабочей и характеризуется равенством между
потребляемой мощностью генератора и вырабатываемой дизелем
мощностью. При этом постоянство мощности обеспечивается системой регулирования напряжения через цепь возбуждения генератора.
В рабочей зоне мощность дизеля реализуется полностью, т. е. тепловоз работает с максимальным КПД.
Uг

I

II
III
Imin

Imax Iг

Рисунок 7.6 – Внешняя характеристика главного генератора
90

В III зоне главный генератор работает при максимальных токах
нагрузки, и его характеристика ограничивается максимальным током
тяговых двигателей. Это режимы трогания тепловоза с места, преодоление затяжного подъема, движение с тяжеловесным поездом. Так
как дизель в этой зоне работает на малых оборотах, его мощность используется не полностью.
Таким образом, минимальный КПД работы тепловоза наблюдается в момент трогания с места (наиболее тяжелый режим) и при
малых токах нагрузки, например при одиночном следовании. В целях экономии ресурсов в этих режимах количество подачи топлива
определяется регулятором частоты оборотов (РЧО): если число оборотов вала дизеля меньше заданного, РЧО увеличивает подачу топлива, если превышает – подачу топлива уменьшает.
Чтобы текущие параметры работы главного генератора соответствовали максимальному использованию мощности дизеля, дизель-генераторная установка имеет систему объединенного регулирования,
которая на современных тепловозах выполняется микропроцессорной.
Для увеличения рабочей зоны регулирования напряжение на зажимах двигателя можно изменять ступенями способом их перегруппировки, как на ЭПС постоянного тока, однако такой способ на тепловозах применяют редко в связи с усложнением электрической схемы
и необходимостью применения дополнительных электроаппаратов.
Второй способ регулирования скорости тепловоза – изменение
основного магнитного потока ТЭД – повсеместно применяется на
тепловозах наряду с первым способом. Принципы регулирования
возбуждения ТЭД тепловозов точно такие же, как на электровозах.
В передаче переменно-постоянного тока в качестве тягового генератора применяется трехфазная синхронная электрическая машина (СГ)
переменного тока, а тяговые двигатели остаются постоянного тока.
Преобразование переменного тока на выходе главного генератора в постоянный – для питания ТЭД – осуществляется управляемым выпрямителем, размещаемым в электрической цепи между ними (рисунок 7.7).
Применение синхронных генераторов вместо генераторов постоянного тока дает важные преимущества:
– относительное снижение массо-габаритных показателей передачи, так как синхронные генераторы имеют массу на единицу мощности почти в два раза меньше, чем генераторы постоянного тока при
той же мощности и частоте вращения вала дизеля;
– повышение эксплутационной надежности и одновременное
снижение затрат на ремонт и обслуживание передачи в связи с отсут91

ствием щеточно-коллекторного узла, который существенно лимитирует характеристики генератора по напряжению и частоте вращения.
Выпрямитель
Дизель

Муфта
ТЭД1

В

ТЭД2

ТЭД3

ТЭД4

СГ

Рисунок 7.7 – Схема электрической передачи
переменно-постоянного тока

Преимущества передачи переменно-постоянного тока становятся особо значимыми в условиях повышения мощности тепловоза,
в связи с этим все мощные магистральные (2ТЭ116У, 2ТЭ25КМ,
ТЭП70БС) и маневровые тепловозы (ТЭМ7) изготовляются только
с передачей переменно-постоянного тока.
Как и в передаче постоянно-постоянного тока, в передаче переменно-постоянного тока применяются аналогичные способы регулирования скорости тепловоза:
– напряжением на зажимах ТЭД: через возбудитель (В), который
питает роторную обмотку главного генератора постоянным током;
через управляемый выпрямитель, который регулированием угла отпирания тиристоров плавно изменяет выходное напряжение;
– ослаблением магнитного поля ТЭД.
В передаче переменно-переменного тока в качестве тяговых применяются только электрические машины переменного тока: трехфазный синхронный главный генератор и трехфазные асинхронные тяговые двигатели.
Передача переменно-переменного тока лишена ключевых недостатков коллекторных электрических машин и характеризуется следующими достоинствами:
– хорошие массо-габаритные показатели;
– практическое отсутствие ограничений по величине реализуемой мощности;
92

– высокая эксплуатационная надежность;
– низкие затраты на обслуживание и ремонт;
– создает предпосылки улучшения динамических качеств локомотива, особенно в условиях скоростного движения.
Несмотря на эти важные преимущества, передачи мощности переменного тока в серийных масштабах в нашей стране применяются ограниченно – только на двухсекционном грузовом тепловозе
2ТЭ25А. Структура силовой цепи передачи переменно-переменного тока очень похожа с передачей переменно-постоянного тока
(см. рисунок 7.7) с той разницей, что к выпрямителю подключается
инвертор, который преобразует постоянное напряжение в трехфазное синусоидальное регулируемой частоты, амплитуда напряжения
изменяется тяговым генератором и управляемым выпрямителем.

7.4 Особенности конструкции и принципы управления
тепловозов с гидравлической передачей
В гидравлической передаче мощность дизеля передается к колесным парам локомотива через рабочую жидкость (обычно это минеральное турбинное или индустриальное масло).
По принципу действия различают гидропередачи двух типов:
– гидростатические;
– гидродинамические.
Принцип действия гидростатических передач основан на свойстве ничтожной сжимаемости жидкости, благодаря которому мощность дизеля можно передавать к рабочим органам посредством ее
давления. Гидростатическая передача состоит из трех основных
элементов:
– объемного гидронасоса;
– трубопровода;
– объемного гидромотора.
В гидронасосе механическая мощность дизеля преобразуется
в давление течения жидкости.
Гидромотор преобразует энергию давления жидкости в механическую энергию вращательного движения. Наряду с гидромоторами
могут применяться гидроцилиндры, преобразующими энергию жидкости в механическую энергию поступательного движения.
Трубопровод обеспечивает циркуляцию жидкости между гидронасосом и гидромотором.
93

Гидростатические передачи нашли широкое применение в дорожно-строительной технике (экскаваторы, бульдозеры и т. д.). На локомотивах гидростатическую передачу применяют редко.
В гидродинамической передаче мощность от вала дизеля к колесным парам передается кинетической энергией потока рабочей жидкости. Гидродинамическая передача состоит из гидротрансформаторов и гидромуфт.
Гидротрансформатор – это гидравлическая машина, состоящая из
трех соосно расположенных друг за другом лопастных колес:
– насосного;
– турбинного;
– реактора (направляющего аппарата),
объединенных общим корпусом.
Циркуляция рабочей жидкости в гидротрансформаторе обеспечивается кольцевыми каналами.
Количество ступеней гидротрансформатора определяется числом
турбинных колес, расположенных в круге циркуляции и соединенных между собой механической связью. Как правило, тепловозные
гидротрансформаторы имеют от 2 до 3 ступеней, где третья выполняет функцию гидромуфты.
Рассмотрим три характерных режима работы локомотива с гидропередачей (состоящей из одного гидротрансформатора) с использованием внешней характеристики гидротрансформатора (рисунок 7.8).
1 режим. Трогание тепловоза с места происходит при неподвижной
турбине. Ее частота вращения nт равна нулю при максимальной величине вращающего момента Мт = Мтmax. Так как турбинное колесо через каскад зубчатых передач соединяется с колесными парами локомотива, вращающий момент на ободе колес также будет максимальным.
По мере снижения величины Мт КПД гидротрансформатора η
увеличивается.
2 режим. Тепловоз работает в номинальном режиме работы, с параметрами гидропередачи, близкими к Мтн и nтн. В номинальном режиме работы КПД гидропередачи достигает максимальной величины, близкой к 0,9, за счет безударного входа потока рабочей жидкости
на лопатки реактора.
3 режим. При дальнейшем увеличении скорости тепловоза частота вращения турбинного колеса достигает максимальной величины.
В этом режиме поток рабочей жидкости создает на лопастях реактора отрицательный вращающий момент, который будет действовать
в противоположном направлении по отношению к входному мо94

менту на лопастях насосного колеса, что приводит к снижению вращающего момента на лопастях турбинного колеса и, следовательно,
к снижению КПД гидропередачи.
Мт, η
Мтmax

1 режим
Мт(nт)

2 режим

3 режим

η = 0,88

Мтн

0

n тн

nтmax

nт

Рисунок 7.8 – Внешняя характеристика и КПД работы тепловозного
гидротрансформатора

Гидромуфта – это гидромашина, в конструкции которой, в отличие от гидротрансформатора, отсутствует третье колесо – реактор.
В связи с этим механическая мощность дизеля к колесным парам передается циркуляцией кинетической энергии жидкости от насосного
колеса к турбинному без изменения величины вращающего момента,
т. е. передаточное отношение и КПД гидромуфты близки единице.
Незначительное замедление турбинного колеса обусловлено потерями энергии в гидромуфте (в основном за счет трения в подшипниках
качения), которые характеризуются скольжением s:
s=

nн − nт
,
nн

(7.5)

где nн, nт – частота оборотов соответственно насосного и турбинного колеса.
КПД гидромуфты достигает максимального значения ηmax = 0,97
при скольжении s = 0,03, а затем резко снижается до нуля (при s = 0).
95

В связи с этим работа гидромуфты целесообразна в очень узком
диапазоне изменения передаточного отношения i = 0,85…0,97. Она
включается при повышенных скоростях движения, когда локомотив
уже вышел из режима разгона.
Рассмотрим работу гидропередачи отечественного магистрального
тепловоза ТГ16, структурная схема которой приведена на рисунке 7.9.
Механическая энергия с частотой вращения n через повышающий
редуктор Р поступает на трехступенчатый гидротрансформатор. От
гидротрансформатора энергия поступает на реверс Re с передаточным отношением меньше единицы и через понижающий осевой редуктор ОР передается двум колесным парам КП.

Д

n

n
0, 822
Р

ГМ
ГТ
ГТ

n

n
0,788
n
1,66

Re

n
1,256
ОР

n
3,048
КП

КП

Рисунок 7.9 – Структурная схема гидропередачи тепловоза ТГ16

При трогании тепловоза с места включается первая (понижающая) ступень гидротрансформатора с передаточным отношением
n
, после набора начальной скорости дальнейший разгон тепло1,66
воза продолжается на второй (повышающей) ступени n . В но0,788
минальном режиме работы дальнейший разгон тепловоза осуществляется на третьей ступени, выполненной в виде гидромуфты.

96

8 Электроснабжение электрифицированных
железных дорог

8.1 Общая схема электроснабжения участка
электрической железной дороги
Электрифицированные железные дороги в нашей стране получают электроэнергию от энергосистем.
Энергосистема – это совокупность крупных электрических станций, объединенных линиями электропередачи (ЛЭП) и совместно
питающих потребителей электрической и тепловой энергией. Энергосистемы объединяют электростанции различных типов: тепловые,
гидравлические и атомные, на которых в электрическую энергию
превращаются соответственно химическая энергия горения топлива, кинетическая энергия падающей воды, атомная энергия, выделяемая при распаде ядер тяжелых элементов.
Общая схема электроснабжения участка электрической железной
дороги изображена на рисунке 8.1.
От электростанций к потребителям электроэнергия передается
по ЛЭП. На электростанциях турбогенераторы вырабатывают трехфазный ток частотой 50 Гц и напряжением от 6 до 24 кВ. Для уменьшения потерь энергии при ее передаче на электростанциях с помощью трансформаторов повышают напряжение до уровня 220, 330
и 550 кВ. Выбор величины напряжения ЛЭП определяется величиной передаваемой мощности и расстоянием, на которое необходимо
передавать мощность. Чем больше передаваемая мощность и расстояние, тем выше должно быть напряжение в ЛЭП.
В районах большого потребления электроэнергии создаются районные подстанции, понижающие напряжение до требуемого уровня
(6, 10, 35, 110 кВ). От районных подстанций электроэнергия трехфазного тока с помощью ЛЭП передается на тяговые подстанции (ТП),
где осуществляется или только понижение напряжения до величины
рабочих напряжений ЭПС, или понижение напряжения с последующим преобразованием трехфазного переменного тока в постоянный
(выпрямление тока). Тяговые подстанции дорог постоянного и переменного тока значительно различаются по устройству.
97

От тяговых подстанций электроэнергия передается на ЭПС по
контактной сети (КС) и рельсовым цепям (РЦ).
Совокупность электростанций, районных подстанций и ЛЭП
образует систему внешнего электроснабжения. ЛЭП, подводящие
электрическую энергию к тяговым подстанциям электрических железных дорог, имеют номинальные напряжения 110 или 220 кВ.
Электрические железные дороги относятся к потребителям категории I, нарушение электроснабжения которых связано с опасностью
для жизни людей, существенным ущербом народному хозяйству и нарушением технологического процесса (графика движения поездов).
электростанция

электростанция

ЛЭП

ЛЭП
150 ... 250 км

районная
подстанция

ТП1
ОЛ

ФЛ ОЛ

ТП2

ТП3

ФЛ

ОЛ ФЛ

районная
подстанция

ТП4

ТП5

ОЛ ФЛ ОЛ ФЛ
КС

ЭПС

РЦ

Рисунок 8.1 – Общая схема электроснабжения участка
электрической железной дороги

Такие потребители должны получать электроэнергию от двух независимых источников, и перерыв их электроснабжения может быть
допущен только на время автоматического переключения питания
с одного источника на другой.
Для поддержания необходимого уровня напряжения на тяговых
подстанциях и снижения потерь энергии в питающей сети сооружают опорные тяговые подстанции, к которым присоединяют не менее
трех ЛЭП напряжением 110 или 220 кВ. Такие подстанции распола98

гают через каждые 150–300 км. Тяговые подстанции, расположенные
между опорными, называются промежуточными, их количество может колебаться от трех до пяти. На рисунке 8.1 ТП1 и ТП5 являются
опорными, а ТП2, ТП3 и ТП4 – промежуточными.
В России тяговые подстанции не только питают контактную сеть,
но и снабжают электроэнергией ближайшие предприятия промышленности и сельского хозяйства. На эти цели расходуется до 40 %
всей мощности тяговых подстанций, за рубежом это не принято. При
проектировании системы электроснабжения в России почти всегда
(90 % всех тяговых подстанций) применяют типовые решения. За рубежом типовые решения практически исключены.
ЭПС получает электрическую энергию от тяговых подстанций через
тяговую сеть, которая включает в себя контактную сеть, подвешенную
над железнодорожными путями, рельсовую цепь (РЦ), фидерные (питающие) линии (ФЛ) и отсасывающие линии (ОЛ). Тяговые подстанции
и тяговая сеть образуют систему тягового электроснабжения. Границей
между системами внешнего и тягового электроснабжения является вход
тяговых подстанций, она показана на рисунке 8.1 штриховой линией.

8.2 Устройство тяговой сети
Контактная сеть представляет собой совокупность проводов, конструкций и оборудования, обеспечивающих передачу электрической
энергии от тяговых подстанций к токоприемникам ЭПС. Она устроена таким образом, что обеспечивает бесперебойный токосъем локомотивами при наибольших скоростях движения в любых атмо­
сферных условиях.
Контактную сеть выполняют в виде воздушных подвесок или контактного (третьего) рельса, установленного рядом с путями на кронштейнах с изоляторами. Последний используют в нашей стране только на метрополитенах, а на магистральных электрических дорогах не
применяют из-за трудностей, связанных с обеспечением безопасности людей и животных, с защитой от снежных заносов и т. д.
При движении локомотива токоприемник не должен отрываться от контактного провода, иначе нарушается токосъем и возможен
пережог провода. Надежная работа контактной сети в значительной
мере зависит от стрел провеса и нажатия токоприемника на провод.
Так как поезда движутся с большими скоростями, провесы контактного провода должны быть минимальными. С этой целью приме99

няют так называемые цепные подвески. В цепных подвесках контактный провод в пролетах между опорами подвешен не свободно, как
в простых (трамвайных) подвесках, а на часто расположенных струнах, прикрепленных к несущему или вспомогательному тросу. В этом
случае различают одинарные (рисунок 8.2) и двойные (рисунок 8.3)
цепные подвески. В одинарной цепной подвеске контактный провод с помощью струн подвешивают к несущему тросу. При двойной
цепной подвеске к несущему тросу на струнах подвешивают вспомогательный провод, к которому также струнами крепят контактный
провод. Такая подвеска допускает наибольшие скорости движения.

Консоль
Несущий торс
Струны

Изолятор
Контактный провод
Фиксатор

Рисунок 8.2 – Одинарная цепная подвеска

Вспомогательный
провод

Рисунок 8.3 – Двойная цепная подвеска
100

Контактный провод в цепных подвесках подвешивают так, чтобы он располагался по всей длине пролета примерно на одной высоте от головки рельса. Это достигается применением струн разной
длины: коротких в средней части пролета и более длинных у опор.
Для уменьшения стрел провеса при сезонном изменении температуры оба конца контактного провода (иногда и несущего троса) оттягивают к опорам, которые называются анкерными, и через систему
блоков и изоляторов к ним подвешивают грузовые компенсаторы. По
способу натяжения проводов различают следующие виды подвесок:
– некомпенсированная подвеска (провода жестко закреплены на
анкерных опорах, т. е. натяжение не контролируется);
– полукомпенсированная подвеска (натяжение контактного провода обеспечивают с помощью грузовых компенсаторов, несущий
трос жестко закреплен на опорах);
– компенсированная подвеска (натяжение контактного провода
и несущего троса поддерживается автоматически с помощью грузовых компенсаторов).
Чтобы можно было включить грузовые компенсаторы в провод
контактной подвески, последнюю разбивают на отдельные участки,
механически не связанные друг с другом, называемые анкерными.
Контактная сеть секционируется, т. е. делится на отдельные электрически не связанные участки (секции), которые при необходимости соединяют между собой секционными разъединителями. Такое
деление позволяет отключить любую секцию для производства ремонтных работ без прекращения движения поездов по остальным
секциям. Существует продольное и поперечное секционирование.
При продольном секционировании контактную сеть станции отделяют от контактной сети перегона нейтральными вставками или
воздушными промежутками, которые обеспечивают электрическую
изоляцию сопрягаемых участков.
При поперечном секционировании происходит отделение контактной сети одной группы путей от другой на станциях или одного пути от
другого на двухпутных перегонах с помощью секционных изоляторов.
В горизонтальной плоскости контактный провод закреплен так,
что относительно оси пути он подвешен зигзагообразно с отклонением у каждой опоры на ± 300 мм. Благодаря этому контактный провод достаточно устойчив против ветра и не перетирает контактные
пластины токоприемников.
Наиболее распространены медные фасонные контактные провода из особого сорта меди, позволяющего заменять контактные
101

провода через 6 – 7 лет и более. Износ контактных проводов снижают
также сухая графитовая смазка полозов токоприемников, применение угольных полозов. Площадь сечения проводов контактной сети
дорог переменного тока значительно меньше, чем на дорогах постоянного тока. Это объясняется более высоким напряжением, подводимым к токоприемникам электровозов.
В качестве несущих тросов применяют биметаллические и сталемедные провода, стальные тросы. С помощью изоляторов их подвешивают к консолям, укрепленным на опорах, или к жестким и гибким поперечинам, перекрывающим железнодорожные пути. Струны
из сталемедной проволоки выполнены так, что они не мешают подъему контактного провода токоприемниками. Фиксаторы делают легкими и подвижными, чтобы при прохождении токоприемника не
возникали удары.

8.2.1 Рельсовая цепь
Рельсовая цепь служит вторым проводом тяговой сети. На железных дорогах используют рельсы типов Р50, Р65 и Р75.
Так как на электрифицированных дорогах рельсы используют для
пропуска тяговых токов, верхнее строение пути на таких дорогах имеет следующие особенности:
– к головкам рельсов с наружной стороны колеи прикреплены
стыковые соединители из медного троса, вследствие чего уменьшается электрическое сопротивление рельсовых стыков;
– применяют щебеночный балласт, обладающий хорошими ди­
электрическими свойствами;
– деревянные шпалы пропитывают специальным составом – креозотом, а железобетонные надежно изолируют от рельсов резиновыми прокладками;
– рельсовые нити через определенные расстояния электрически соединяют между собой, что позволяет уменьшить сопротивление току.

102

9 Физическая модель поезда

9.1 Силы, действующие на поезд
Одной из основных сил, действующих на поезд, является сила
тяги локомотива FК. Сила FК образуется при работе тяговых электродвигателей (ТЭД) после подключения их к питающей сети: на валу
якоря каждого ТЭД создается вращающий момент Мвр.я.i, который через зубчатую передачу передается на колесную пару, где преобразуется в силу Fк.дв.i, приложенную к оси колесной пары и называемой
силой тяги двигателя. Силы тяги всех двигателей суммируются вначале на тележках локомотива через буксовые узлы, а затем на кузове локомотива через шкворневые опоры, и таким образом на автосцепке локомотива образуется сила тяги FК, под действием которой
и возникает движение поезда со скоростью V в направлении действия силы тяги (рисунок 9.1).
V

Fк

Wк
Fи

dV
<0
dt

Fкдвi

Fи

Вт

dV
>0
dt

Рисунок 9.1 – Силы, действующие на поезд

Как только начинается движение поезда, то во всех трущихся его
частях (в таких механических парах, как колесо – рельс, ось колесной
пары – буксовый подшипник, элементы рессорного подвешивания
103

и т. д.) образуются силы трения, на преодоление которых расходуется часть силы тяги и которые таким образом создают сопротивление
движению поезда. Сюда же относятся потери кинетической энергии движения поезда от ударов на стыках, неровности и неравноупругости пути, от соударения подвижного состава при неравномерном движении, сопротивление воздушной среды и т. д. Все эти виды
сопротивления движению поезда оцениваются с помощью силы WК,
которая называется силой сопротивления движению и направлена в
противоположную сторону действия силы тяги FК.
В тех случаях, когда необходимо существенно снизить скорость
движения поезда или даже остановить его на заданном раздельном
пункте, применяется специально созданная механическая сила BТ,
называемая тормозной силой. Эта сила создается с помощью специальных устройств (автотормозов) путем прижатия тормозных колодок к бандажам колесных пар подвижного состава. Направление
действия силы ВТ противоположно направлению действия силы тяги
FК и соответственно направлению движения поезда.
Из законов механического движения известно, что при движении
любого тела возникает так называемая сила инерции FИ, вызванная
накопленной в процессе движения этого тела кинетической энергией. Таким образом, сила инерции FИ возникает всякий раз, когда
имеет место изменение скорости движения поезда. При этом сила
инерции будет направлена по направлению движения поезда, если
скорость движения поезда снижается, и навстречу движению поезда,
если скорость поезда возрастает.
Итак, силы тяги, сопротивления движению поезда и торможения
являются внешними силами, действующими на поезд, а сила инерции – это внутренняя сила поезда.
В общем случае все внешние силы поезда суммируются и потому
могут быть заменены одной силой F, называемой равнодействующей
F =FК −W К − BТ .

(9.1)

Очевидно, силы тяги и торможения одновременно не применяются. Поэтому по их наличию или отсутствию различают следующие
три возможных режима ведения поезда:
а) режим тяги
F=
FК −W К ,
Т
б) режим выбега
104

(9.2)

FB = –WK,

(9.3)

FTOP = –WK – BT .

(9.4)

в) режим торможения

Чередуя все эти три режима в разной последовательности, машинист осуществляет управление процессом движения поезда на участке по заданному алгоритму.
Для удобства производства тяговых расчетов используют удельные силы, т. е. силы, отнесенные к массе поезда:
а) удельная сила тяги
FК
, Н/кН,
mg

fК =

(9.5)

б) удельная сила сопротивлению движения поезда

wК =

W К , Н/кН,
mg

(9.6)

в) удельная тормозная сила
bК =

BК
, Н/кН,
mg

(9.7)

г) удельная равнодействующая сила поезда
f =

F
, Н/кН,
mg

(9.8)

где g = 9,81 – ускорение свободного падения, м/с2;
m – масса поезда, т;
m = mЛ + mC,

(9.9)

где mЛ – масса локомотива, т;
mC – масса состава, т.
Рассмотрим подробнее образование и определение всех выше­
указанных сил, действующих на поезд.

105

9.2 Сила тяги
9.2.1 Основной закон локомотивной тяги
Как известно, источником механической энергии для создания
силы тяги на локомотиве являются электродвигатели (ТЭД), которые
располагаются на тележках локомотива и будучи подключенными
к источнику электроэнергии создают на валах своих якорей вращающие моменты Мя. Последние через зубчатые передачи образуют на
колесных парах вращающие моменты Мк. Рассмотрим образование
силы тяги на примере одной колесной пары (рисунок 9.2).
Vi

Mк = MДВ · µ

Gо

FКДВ =

M ДВ ⋅ µ
RK

Mк
F1
Rк
F
F1
C

Рисунок 9.2 – Образование силы тяги

Здесь Gо – сила тяжести локомотива, приходящаяся на одну ось
колесной пары (или сила нажатия колеса на рельс), кН.
Gо =

mЛ ⋅ g
,
N оЛ

(9.10)

где NоЛ – число движущих осей локомотива.
Вращающий момент колесной пары может быть заменен парой
сил F1 и F2. При этом сила F1 приложена к оси колесной пары, а сила
F2 – к рельсу в точке «С» касания колеса и рельса. Очевидно,
F1 = F2 = F1 и FК.ДВ.
106

(9.11)

В соответствии с 3-м законом Ньютона в точке «С» возникает реактивная сила FСЦ, которая уже приложена к колесу, равна по величине силе F2, но противоположна ей по направлению. Таким образом, силы F2 и FСЦ взаимно уравновешивают друг друга, т. е. нижняя
точка колеса как бы фиксируется на рельсе, и тогда под действием
силы F1 ось колесной пары перемещается влево: начинается перекатывание колеса по рельсу, т. е. поступательное движение локомотива с составом с какой-то скоростью Vi. При этом сила тяги локомотива FК равна
FК = NоЛ · FК.ДВ .

(9.12)

Силу FСЦ называют силой сцепления (колеса с рельсом). В результате образования именно этой силы создается мгновенный центр
вращения колеса в точке «С», и происходит преобразование вращающего момента колесной пары в силу тяги FК.ДВ. При нормальном
движении всегда
FК.ДВ.i = FСЦ.i .

(9.13)

Условием же нормального движения (без боксования) является
следующее условие:
FК.ДВ.i ≤ FСЦ.max ,

(9.14)

где FСЦ.max – максимально возможная (потенциальная) сила сцепления колеса и рельса.
FСЦ.max = 1000 · Gо · ψK,

(9.15)

где ψK – коэффициент сцепления колеса и рельса.
Из (1.14) и (1.15) следует
FК.ДВ.i ≤ 1000 · Gо · ψK .

(9.16)

Выражение (9.16) – есть основной закон локомотивной тяги: для
получения нормального движения (без боксования) сила тяги двигателя должна быть меньше или, в крайнем случае, равна максимально возможной (потенциальной) силе сцепления колеса с рельсом!

107

9.2.2 Коэффициент сцепления
Физическая природа коэффициента сцепления та же, что и коэффициента трения двух поверхностей, но имеет свою специфику.
Под действием вертикальной нагрузки Gо от колеса на рельс происходит упругая деформация металла, в результате которой образуется небольшая контактная площадка, называемая контурной. Поверхности колес и рельсов имеют шероховатости, поэтому давление
воспринимается отдельными выступами так, что площадь истинного
контакта составляет всего 10 % контурной площадки. При этом под
действием вертикальной нагрузки происходит взаимное внедрение
неровностей колеса и рельса, возникает зацепление микроповерхностей – чисто механическое противодействие смещению поверхностей колеса и рельса. Кроме того, в результате сжатия микровыступов происходит еще и пластическая деформация, при которой связь
соприкасающихся поверхностей колеса и рельса обусловлена еще
и их молекулярным взаимодействием.
Итак, явление сцепление колеса с рельсом имеет двойственную
механико-молекулярную физическую природу. Кроме того, имеет место и так называемые упругие скольжения колеса и рельса, направленные в противоположные стороны, что приводит к появлению трения скольжения.
Коэффициент сцепления ψK определяется опытным путем как отношение наибольшей реализуемой в эксплуатации силы тяги локомотива к силе тяжести локомотива
F
ψ К =КНБ .
GЛ

(9.17)

Такой коэффициент сцепления называется расчетным. Эксперименты показали, что он (ψK ) зависит от скорости движения поезда и в общем случае может быть определен по следующей эмпирической формуле:
ψК = a +

b
− e ⋅V ,
100 ⋅ c + d ⋅V

(9.18)

где значения коэффициентов a, b, c, d, e определяются серией локомотива и приводятся в ПТР.
Графическая интерпретация выражения (9.18) выглядит так, как
показано на рисунке 9.3.
108

ψК

V, км/ч

Рисунок 9.3 – Зависимость коэффициента сцепления
от скорости поезда

9.2.3 Боксование
Боксование – это срыв сцепления колеса с рельсом, когда окружная скорость колесной пары оказывается больше, чем линейная скорость движения локомотива. В результате этого возникает проскальзывание колеса относительно рельса.
Физическая природа боксования – превышение силы тяги над потенциальной силой сцепления колеса с рельсом, что является следствием:
– резкого уменьшения коэффициента сцепления (например, масляное пятно на рельсе);
– скачкообразного возрастания силы тяги из-за толчка (броска)
тока тягового двигателя;
– резкого снижения осевой нагрузки Gо колесной пары:
а) при колебаниях надрессорного строения тележек локомотива
при прохождении им неровностей пути;
б) при перераспределении осевых нагрузок между передней и задней по ходу движения колесными парами, что имеет место при реализации силы тяги локомотива.
Возможные последствия боксования:
– потеря силы тяги локомотива;
109

– повышенный износ бандажей колесных пар;
– размотка бандажа якоря ТЭД;
– срыв коммутации ТЭД с «круговым огнем» по коллектору.

9.2.4 Тяговые характеристики локомотива
Тяговая характеристика локомотива – это зависимость силы тяги
FК локомотива от скорости V движения поезда: FК(V), при постоянном напряжении на ТЭД.
Очевидно, тяговая характеристика локомотива определяется тяговой характеристикой электродвигателя, в качестве которого в настоящее время на всех локомотивах применяется практически один
тип электродвигателя – ТЭД постоянного тока последовательного
возбуждения.
UДВ = Е + RДВ · IДВ,

(9.19)

Е = С · Ф · V,

(9.20)

U ДВ − RДВ ⋅ I ДВ

,

(9.21)

FКДВ = 3,6 · С · Ф · I,

(9.22)

1
p⋅N
µ
.
C =⋅
⋅
3.6 π ⋅ aПАР DК

(9.23)

V =

C ⋅Ф

IДВ

Я

Е
к

UДВ
ОВ

Rш

Рисунок 9.4 – Принципиальная электрическая схема электровоза
постоянного тока
110

Электромеханические
характеристики локомотива
V(I ) по (9.21)

Тяговая характеристика
локомотива

V(I ) по (9.22)

V

F

F

FCЦ(V )

Fк(V )

I

I

Vк

V

Рисунок 9.5 – Характеристики локомотива с ТЭД
последовательного возбуждения

На тяговую характеристику накладываются ограничения (рисунок 9.5):
а) по сцеплению – по (9.15);
б) по конструкционной скорости VК локомотива.

9.3 Сила сопротивления движению поезда
Сила сопротивления движению поезда – это приведенная к ободу колес эквивалентная сила, на преодоление которой затрачивается та же работа, что и на преодоление всех действительных сил, противодействующих движению.
Различают два вида сопротивления движению поезда – основное
Wо и дополнительное WД
WK = Wо + WД .

(9.24)

К основному сопротивлению движению подвижного состава относятся сопротивления, которые имеют место всегда при движении
поезда на прямом и горизонтальном участках пути при нормальных
метеорологических условиях.
Это:
– сопротивление трения шеек осей колесных пар в буксовых подшипниках;
111

– сопротивление трения качения колес по рельсу (от упругого
скольжения);
– сопротивление трения скольжения колес по рельсам (вызвано
поперечным проскальзыванием и перемежающимся соприкосновением гребня колесной пары с рельсом из-за конической формы поверхности бандажа колесной пары);
– сопротивление от рассеяния энергии подвижным составом
и верхним строением пути (вызвано ударами на стыках рельсов, неравноупругостью и неровностью пути в плане и профиле, колебаниями надрессорного строения подвижного состава и т. д.);
– сопротивление воздушной среды (от скоростного напора воздуха на лобовую поверхность локомотива, от завихрений и разрежений воздуха у задней стенки хвостового вагона, от трения воздушных
струй о боковую поверхность подвижного состава, от турбулентных
потоков воздуха в межвагонных пространствах).
Основное сопротивление движению подвижного состава определяется опытным путем, является функцией скорости движения поезда и графически изображается так, как показано на рисунке 9.6.
Wо, Н/кН

WТР

V, км/ч

Рисунок 9.6 – Зависимость основного сопротивления движению
от скорости поезда

При этом основное сопротивление оценивается в удельной форме и для приведенной зависимости подобрана следующая эмпирическая формула:
112

wо = a + b ⋅V + c ⋅V 2 ,

(9.25)

где конкретные значения коэффициентов a, b и c приводятся в ПТР,
определяются типом подвижного состава, конструкцией верхнего
строения пути, а также режимом работы для локомотивов и осевой
нагрузкой для вагонов.
Основное сопротивление движению подвижного состава обозначается:
wX – для локомотивов в режиме холостого хода, Н/кН;
w'о – для локомотивов в режиме тяги, Н/кН;
w"о – для состава (вагонов), Н/кН.
Если состав содержит разнотипные вагоны (например, четырех и
восьмиосные), то порядок определения удельного основного сопротивления движению состава следующий
"
w=
о

∑ (α

i

⋅wо" i ) ,

(9.26)

где wоi" – удельное основное сопротивление движению вагона i-го
типа, Н/кН;
αi – доля вагонов i-го типа (по массе) в составе.
Очевидно

∑α

i

=1 .

(9.27)

Тогда удельное основное сопротивление движению поезда определится как:
а) в режиме тяги локомотива
wо =

mЛ ⋅ wо' + mС ⋅ wо"
,
mЛ + mС

(9.28)

б) в режиме холостого хода локомотива
wоX =

mЛ ⋅ wX + mC ⋅ wо"
.
mЛ + mC

(9.29)

Примечание.
Разновидностью основного сопротивления движения поезда является сопротивление троганию поезда с места – wTP, Н/кН. Его особенностью является то, что оно намного больше, чем то, которое
определяется по формуле (9.25), при V = 0. Объясняется это тем, что
113

во время стоянки прекращается гидродинамическое давление масляного клина между шейкой оси колесной пары и подшипником,
образующееся всегда при движении подвижного состава. Поэтому
при трогании в буксовых узлах имеет место полусухое трение. Кроме
того, за время стоянки уменьшается температура масла и значит повышается его вязкость. Из сказанного следует, что величина сопротивления при трогании подвижного состава с места зависит от типа
подшипника (скольжения или роликовый) и осевой нагрузки. Формулы для определения удельного сопротивления троганию подвижного состава на площадке приводятся в ПТР. Например, для подвижного состава на подшипниках качения
wТР=

∑ (α

i

⋅ wТР.i ) ,

(9.30)

где
wТР.i =

28
,
mоi + 7

(9.31)

где mоi – осевая нагрузка вагона i-го типа, т.
Дополнительным сопротивлением движению поезда называют
временно действующее сопротивление, возникающее только в определенных условиях движения поезда. К дополнительным сопротивлениям движению поезда относят сопротивления от уклонов wi, кривых wKP, низкой температуры wT и ветра wB
w Д =wi + wКР + wТ + wВ .

(9.32)

При движении поезда по уклону имеет место разложение силы тяжести G поезда на две составляющих, одна из которых представляет
собой дополнительное сопротивление Wi (рисунок 9.7).
Wi = G ⋅ sin α ≈ G ⋅ tgα ,

(9.33)

H
= i,
L
где i – величина уклона в промилле, ‰;
H – высота уклона, м;
L – длина уклона, м.
Разделим обе части выражения (1.33) на mg и получим окончательно
=
где tgα

wi = ±i.
114

(9.34)

Таким образом, дополнительное удельное сопротивление движению поезда от уклона численно равно величине этого уклона. При
этом при движении поезда на подъеме оно добавляется к основному
сопротивлению движения, а при движении на спуске – оно вычитается из основного сопротивления движению.

H

Wi

V

α
G
α
L

Рисунок 9.7 – Образование дополнительного сопротивления
движению поезда

Дополнительное сопротивление движению от кривой возникает
из-за появления дополнительного трения скольжения в результате:
поперечного смещения колес по рельсам и набегания гребней колес
на внутренние грани наружного рельса под действием центробежных сил инерции; продольного проскальзывания колес от разности
расстояний, проходимых наружными и внутренними колесами одной колесной пары и т. д.
Удельное дополнительное сопротивление от кривых определяется по следующей эмпирической формуле:
wКР =

700
,
RКР

(9.35)

где RKP – радиус кривой, м.
Сопротивление wKP учитывается за счет добавления его значения
к дополнительному сопротивлению движению поезда от уклонов wi.
Дополнительное сопротивление движению поезда от низких температур и ветра учитывается с помощью специальных коэффициентов, приведенных в ПТР.
115

Примечание.
Так как дополнительное сопротивление движению поезда на различных участках пути имеет произвольное значение, то зависимость
полного удельного сопротивления от скорости движения поезда не
определяется.

9.4 Тормозная сила поезда при механическом торможении
9.4.1 Образование тормозной силы
Силы сопротивления движению – нерегулируемые силы. Поэтому для снижения скорости движения поезда или для его полной остановки необходимо иметь на поезде устройства, позволяющие при
необходимости включать и регулировать дополнительную силу сопротивления движению, называемую в этом случае, тормозной. Эта
сила создается с помощью механического прижатия тормозных колодок к бандажам движущихся колес подвижного состава, и потому
такое торможение называется механическим.
Рассмотрим образование механической силы торможения (рисунок 9.8). При срабатывании автотормозов происходит прижатие тормозной колодки к бандажу колеса с помощью специальной рычажной передачи с силой нажатия К.
V

B
Mкп
G
Gо0

Bо

K

B'

Bо

C

B'о

Рисунок 9.8 – Образование тормозной силы поезда
116

Под действием силы нажатия К возникает сила трения В между
колодкой и колесом
=
B 1000 ⋅ K ⋅ ϕК ,

(9.36)

где φK – коэффициент трения между колесом и колодкой.
Сила В вызывает реакцию буксы – силу B'. При чем В = B'.
Заменим пару сил ВВ' равнодействующей парой сил В оВ' о:
В = B' = Во = Bо'. При этом сила В'о приложена в точке касания колеса
с рельсом (точка «С») к рельсу. При нормальном сцеплении (без юза)
в точке «С» возникает равная ее по величине сила ВСЦ, но противоположная ей по направлению и приложенная к колесу, т. е. ВСЦ =B0'.
Силы ВСЦ и Bо' взаимно уравновешивают друг друга, остается только одна сила Во, которая приложена к оси колесной пары и направлена в сторону противоположную движению поезда – она и является тормозной силой ВТ
ВТ = Во .
При механическом торможении нормальное движение (без юза)
аналогично режиму тяги возможно только при соблюдении условия
ВТi ≤ BСЦ.MAX.

(9.37)

Но ВСЦ.МАХ аналогично режиму тяги равно
BСЦ.MAX
= 1000 ⋅G 0 ⋅ ψ К .

(9.38)

Из (9.37) и (9.38) получаем закон реализации нормального (без
юза) процесса торможения
BТi ≤ 1000 ⋅G 0 ⋅ ψ К ,

(9.39)

т. е. тормозная сила не должна превышать максимально возможную
(потенциальную) силу сцепления колеса с рельсом.

1.4.2 Вычисление тормозной силы
Очевидно, тормозная сила BT поезда представляет собой сумму
тормозных сил BTi всех колес поезда. Тогда из (9.36) следует
=
BТ

B
∑=
Тi

1000∑ (K i ⋅ ϕКi ),

(9.40)

Перейдем к удельной тормозной силе
117

=
bТ

(К ⋅ ϕ )
BТ
= 1000∑ i Ki .
mg
mg

(9.41)

Коэффициенты трения φKi зависят от трех параметров: силы нажатия Ki, скорости движения Vi и материала колодок. Опытным путем установлено, что с увеличением скорости движения значения коэффициента трения колодки о колесо уменьшаются (рисунок 9.9).
φк

К2 = 3 кН композиционные
К1 = 2 кН колодки

}

К2 = 3 кН чугунные
К1 = 2 кН колодки

}

V, км/ч

Рисунок 9.9 – Зависимости коэффициента трения от скорости поезда

Для облегчения расчетов вводятся понятия расчетных значений
коэффициента трения φKP и силы нажатия KP . Последний считается
неизменным: KP = Const. Чтобы при этом сохранились действительные значения тормозной силы надо, чтобы соблюдалось равенство
К i ⋅ ϕ=
КP ⋅ϕ
КiР
K

.

(9.42)

Откуда
К=
Кi ⋅
Р

ϕКi
,
ϕКР

(9.43)

т. е. расчетные значения силы нажатия KP зависят только от их действительных значений К. Формулы для перехода от действительных
значений силы нажатия к расчетной KP приведены в ПТР.
Тогда расчетный коэффициент трения φKP становится функцией только одной переменной – скорости движения поезда (рисунок 9.10).
118

φКР
0.36
0.27
композиционные
колодки
чугунные
колодки
V, км/ч

Рисунок 9.10 – Зависимости расчетного коэффициента трения
от скорости движения поезда

Эмпирические формулы для определения расчетного коэффициента трения приведены в ПТР. Так:
– для чугунных колодок при KP = 27 кН
ϕКР.Ч.К =0, 27 ⋅

V + 100
;
5V + 100

(9.44)

– для композиционных колодок при KP = 16 кН
ϕКР.К.К =0,36 ⋅

V + 150
.
2V + 150

(9.45)

Принятые значения KP соответствуют средним значениям действительных сил нажатия на колодку четырехосного вагона при груженом и порожнем режимах торможения.
Используя расчетные значения KP и φKP, получаем
=
bТ 1000 ⋅ ϕКР ∑
Обозначим
ϑ =∑

К Рi
.
mg

К Рi
,
mg

(9.46)

(9.47)

где ϑ – расчетный тормозной коэффициент поезда.
119

Тогда из (9.46) и (9.47) получаем окончательно
=
bТ 1000 ⋅ ϕКР ⋅ ϑ .

(9.48)

Таким образом, удельная тормозная сила поезда определяется по
(9.48) и также, как коэффициент трения, является функцией скорости (рисунок 9.11):
bT, H/кН

V, км/ч

Рисунок 9.11 – Зависимость удельной тормозной силы
от скорости поезда

9.5 Диаграмма удельных сил поезда
Диаграмма удельных сил поезда – это зависимость всех внешних
удельных сил поезда от скорости его движения, построенных в одной общей системе координат (рисунок 9.12).
Имея зависимости каждой внешней удельной силы поезда от скорости его движения, можно построить диаграмму удельных равнодействующих сил поезда для всех трех возможных режимов движения поезда:
а) удельная равнодействующая сила поезда в режиме тяги
f=
f К − wо ,
Т

(9.49)

б) удельная равнодействующая сила поезда в режиме выбега

fВ = −wоХ ,
120

(9.50)

в) удельная равнодействующая сила поезда в режиме механического торможения:
– экстренное торможение
fМТ.Э =
−bТ − wоХ ;

(9.51)

– служебное торможение
fМТ.СЛ =
−0,5 ⋅ bТ − wоХ .

(9.52)

V, км/ч
W0

W0Х = fВ

fМТСл

bт

fмтэ

fт

fт

–f, H/кН

0

+f, H/кН

Рисунок 9.12 – Диаграмма удельных сил поезда

Примечание.
Так как дополнительное сопротивление движению поезда Wi не
является функцией скорости, а зависит от профиля пути, то на диа­
грамме удельных сил показывается только основное сопротивление
движению поезда. Дополнительное сопротивление движению поезда
учитывается в тяговых расчетах специальным способом.

9.6 Сила инерции поезда
Сила инерции поезда – это сила, появление которой связано
с кинетической энергией, накопленной поездом и всеми его вращающимися частями при движении. В общем случае:
121

FИ m
=

 J d ωi
dV
+ ∑ i
dt
 Ri dt


,


(9.53)

где Ji – момент инерции i-й вращающейся части поезда;
Ri – радиус i-й вращающейся части поезда;
ωi – угловая частота вращения i-й части поезда.
Если вынести за скобку m, перейти от ω к V и сделать соответствующие преобразования, то получим

=
FИ m

(1 + γ) dV
,
⋅
ξ
dt

(9.54)

где (1 + γ) – коэффициент инерции вращающихся частей поезда;
ξ
–п
 ереводный коэффициент, зависящий от использованной размерности физических величин.
Для электровозов
(1 + γ) =1,15...1,3 .

(9.55)

Для вагонов поездов принимаются следующие значения коэффициента инерции вращающихся масс:
– грузовых груженых – 1,03…1,04;
– грузовых порожних – 1,07…1,08;
– пассажирских – 1,06.

9.7 Физическая модель поезда
Движение поезда – это сложный механический процесс, на ход
которого влияет множество физических факторов, которые заранее
рассчитать трудно или даже невозможно. К таким факторам относятся: изменение погоды, особенности груза, квалификация машиниста, техническое состояние пути и подвижного состава и т. д. Поэтому
в тяговых расчетах невозможно обойтись без ряда упрощений, которые позволяют сложные в действительности процессы выразить
в виде достаточно простых для практических расчетов схем и зависимостей.
В тяговых расчетах основные упрощения заключаются в том,
что движение поезда рассматривается как движение единого целого вдоль пути, пренебрегая колебаниями подвижного состава в вер122

тикальном и поперечном направлениях, изменениями расстояния
между вагонами и т. д. Эти упрощения позволяют рассматривать
движение поезда как поступательное движение твердого тела вдоль
пути с одной степенью свободы. Тогда физическая модель поезда
может быть представлена как МАТЕРИАЛЬНАЯ ТОЧКА, в которой сосредоточена масса всего поезда и к которой приложена равнодействующая всех сил поезда. Расположение центра тяжести поезда принято в середине длины поезда. Из теоретической механики
известно, что движение материальной точки с одной степенью свободы описывается дифференциальным уравнением первого порядка.

123

10 Математическая модель поезда

10.1 Основное уравнение движения поезда
Рассмотрим режим тяги, в котором сила тяги FK преодолевает силу
сопротивления движению WK и силу инерции FИ
FK = WK + FИ.

(10.1)

С учетом (9.1) и (9.54) из (10.1) получаем
ξ ⋅ F= (1 + γ)m

dV
dt

(10.2)

– это и есть основное уравнение движения поезда (1-я форма записи).
dS
, подставим в правую часть уравнения (10.2)
Учитывая, что V =
dt
dS
вместо dt дробь
и получим 2-ю форму записи основного уравнеV
ния движения поезда
ξ ⋅ F= (1 + γ)m ⋅V

dV
.
dS

(10.3)

Если уравнения (10.2) и (10.3) разделить на mg, считать (1 + γ) = 1,06,
а за размерность используемых в этих уравнениях физических величин принять: путь S(км), время t(ч) и скорость V(км/ч), то ξ =120,
тогда в удельных силах получаем следующую окончательную форму
записи основного уравнения движения поезда:

или

124

dV
= 120 ⋅ f ,
dt

(10.4)

dV
V = 120 ⋅ f .
dS

(10.5)

Из (2.4) следует, что если:
f > 0 – имеет место движение поезда с ускорением,
f < 0 – имеет место движение поезда с замедлением,
f = 0 – имеет место движение поезда с равномерной скоростью.
Физический смысл основного уравнения движения поезда заключается в том, что это уравнение связывает ускорение поезда
dV
= a , км/ч2) с удельной равнодействующей силой поезда. На ка(
dt
ждую единицу удельной равнодействующей силы скорость поезда
возрастает (если f = +1 Н/кН) или уменьшается (если f = –1 Н/кН)
на 120 км/ч за один час (или на 2 км/ч за одну минуту). В каждом
конкретном случае (т. е. при движении поезда с заданным значением скорости V по пути с заданным профилем wi ) ускорение поезда может быть определено из диаграммы удельных равнодействующих сил поезда (рисунок 10.1). Например, при скорости Vi = 60 км/ч:
– в режиме тяги удельная равнодействующая сила fт уменьшилась с 6 Н/кН до 4 Н/кН, тогда замедление поезда составит 4

км ч
;
мин

– в режиме выбега fв уменьшилась с –4 Н/кН до –2 Н/кН, тогда
ускорение поезда составит 4

км ч
;
мин

– в режиме служебного торможения fМТСл увеличилась с –4 Н/кН
до –8 Н/кН, тогда замедление поезда составит 8

км ч
.
мин

V, км/ч
fВ

fт

fМТСл

60

+f, H/кН

6

4

0 –2

–4

–8

–f, H/кН

Рисунок 10.1 – Диаграмма удельных равнодействующих сил поезда
125

В связи со спецификой работы ж.-д. транспорта при решении
основного уравнения движения поезда за независимую переменную
принимают путь S. Тогда графическое решение уравнений (10.4)
и (10.5) имеет вид зависимостей V(S) и t(S), которые принято называть «кривыми движения поезда» (рисунок 10.2):
V, км/ч
f, H/кН
V(S)

t(S)

р.л. А

р.л. Б

S, км

Рисунок 10.2 – Зависимости скорости
и времени движения поезда от пути

10.2 Математическая модель процесса движения поезда
Математической моделью какого-либо физического процесса называют систему математических соотношений параметров изучаемого процесса в пределах выбранной степени приближения с учетом
принятых начальных условий и допустимых ограничений его параметров. Таким образом, система математических соотношений представляет собой допущения, дифференциальные уравнения, начальные условия и ограничения.
Согласно рассмотренной выше физической модели движения поезда, его основного уравнения и физической природы действующих
на него сил можно составить следующие математические соотношения, полностью характеризующие процесс движения поезда и являющиеся его математической моделью:
а) допущения:
– поезд является материальной точкой;
126

– напряжения на ТЭД и диаметры бандажей колесных пар локомотива неизменны и равны своим номинальным значениям;
б) уравнения:
dV
= 120 ⋅ f ,
dt

(10.6)

dV
V = 120 ⋅ f ,
dS

(10.7)

где f – удельная равнодействующая сила поезда, Н/кН.
В общем случае
f = fK − wK − kT ⋅ bT ,

(10.8)

где kТ – коэффициент реализации тормозной силы.
В режиме тяги

где

=
f f Т − wi ,

(10.9)

f=
f К − wо .
Т

(10.10)

=
f fВ − wi ,

(10.11)

fВ = −wоХ .

(10.12)

В режиме выбега

где

В режиме механического торможения:
– экстренного
=
f fМТЭ − wi ,
где

fМТЭ =
−bТ − wоХ ,

(10.13)
(10.14)

kТ = 1;
– служебного

где

=
f fМТСЛ − wi ,

(10.15)

fМТСЛ =
−0,5 ⋅ bТ − wоХ ,

(10.16)

kТ = 0,5.
127

в) начальные условия
t0, V0, S0.

(10.17)

г) ограничения

V ДОП

Vi = min VКЛ
V
 КВ


,




τi ≤ τ ДОП ,

(10.18)

(10.19)

где Vi, VДОП – текущее и допустимое значения скоростей движения
поезда;
VКЛ, VКВ – конструкционные скорости локомотива и вагонов соответственно;
τi, τДОП – текущая и допустимая температура перегрева ТЭД, °С.
Итак, соотношения а), б), в) и г) – это и есть математическая модель процесса движения поезда.

10.3 Блок-схема математической модели
процесса движения поезда
Порядок выполнения вычислительных процедур и взаимосвязи
между ними в соответствии с только что рассмотренной математической моделью процесса движения поезда можно проиллюстрировать с помощью блок-схемы.
Блок-схема – это условное графическое изображение математической модели какого-либо физического процесса, представленное
в виде отдельных блоков, внутри которых записываются те математические преобразования, которые претерпевают физические величины, поступающие на их входы. Блок-схема схема позволяет наглядно
представить себе сразу весь математический аппарат изучаемого физического процесса и все взаимосвязи между его элементами.
Порядок построения блок-схемы (рисунок 10.3):
– начинать с блока основных уравнений;
– постепенно разворачивать схему справа налево, расставляя обозначения входных физических величин согласно математической
модели.
128

129

V

fк, H/кН

К1

Тэ

К2

fк

0,5

V

Wo, H/кН

bт

То

fк – Wк – Кт · bт= f

Wк = Wо + Wi

Wi

КЗ
Wo
Wo, H/кН

dV
= 120 ⋅ f ,
dt
dV
V
= 120 ⋅ f
dS

Профили пути: Wi(S)

Wo, H/кН

V, км/ч

V, км/ч

Рисунок 10.3 – Блок-схема вычисления основного уравнения движения поезда

V, км/ч

V, км/ч

Wo

Т

В-Т

Wox

S

t

V

S

Из структурной семы видно, что с помощью определенных комбинаций работы ключей К1, К2 и К3 могут быть получены любые из
четырех возможных режимов ведения поезда по участку:
а) режим тяги:
К1 – замкнут;
К2 – разомкнут (находится в нейтральном положении);
К3 – замкнут в положение «Т»,
при этом реализуются уравнения (10.9), (10.10), (9.5) и (9.27);
б) режим выбега:
К1 – разомкнут;
К2 – разомкнут (находится в нейтральном положении);
К3 – замкнут в положение «В-Т»,
при этом реализуются уравнения (10.11), (10.12) и (9.28);
в) режим экстренного торможения:
К1 – разомкнут;
К2 – замкнут в положение «ТЭ»;
К3 – замкнут в положение «В-Т»,
здесь реализуются уравнения (10.13), (10.14), (9.46) и (9.28);
г) режим служебного торможения:
К1 – разомкнут;
К2 – замкнут в положение «ТС»;
К3 – замкнут в положение «В-Т»;
здесь реализуются уравнения (10.15), (10.16), (9.46) и (9.28).
Во всех случаях дополнительное сопротивление движению поезда wi от уклонов и кривых учитывается с помощью элемента «профиль пути», где в табличной форме представлены значения wi в функции от значений километровых отметок пути wi(S).

10.4 Интегрирование основного уравнения движения поезда
Итак, основное уравнение движения поезда представляет собой нелинейное уравнение первого порядка, так как равнодействующая всех
внешних сил поезда является нелинейной функцией скорости f(V):

130

dV
= 120 ⋅ f ,
dt

(10.20)

dV
V = 120 ⋅ f .
dS

(10.21)

Поэтому решение уравнений (10.20) и (10.21) представляет собой неопределенный интеграл с нелинейной подынтегральной функцией f(V):
=
t

1
dV
,
⋅
120 ∫ f (V )

(10.22)

S
=

1
dV
.
⋅ V
120 ∫ f (V )

(10.23)

Вычисление такого интеграла, как известно, дает бесчисленное
множество решений. Чтобы найти частное решение, задаются начальными условиями и линеаризуют подынтегральную функцию.
Линеаризация характеристики f(V) производится методом малых
отклонений (метод конечных приращений), который заключается
в следующем (рисунок 10.4): на небольшом интервале ΔVi изменения
скорости от Vi до Vi+1 (ΔVi = Vi+1 – Vi) считается, что скорость изменяется линейно, а удельная равнодействующая сила неизменна и равна
своему среднему значению в этом интервале скоростей
fi .ср =

fi + fi +1
.
2

(10.24)

Vi .ср =

Vi +Vi +1
.
2

(10.25)

Аналогично

Тогда из (10.20) и (10.21), переходя к приращениям, можно записать:
∆Vi
,
∆ti =
120 ⋅ f ср.i
∆S i =
V ср.i

∆Vi
.
120 ⋅ f ср.i

(10.26)
(10.27)

Теперь уравнения (10.22) и (10.23) легко интегрируются:
ti +1 = ti + ∆ti = ti +

∆Vi
,
120 ⋅ f ср.i

(10.28)

131

S i +=
S i + ∆S=
Si +
1
i

∆Vi ⋅V ср.i
= S i +V ср.i ⋅ ∆ti .
120 ⋅ f ср.i

(10.29)

Очевидно, чем больше взято интервалов ΔVi, т. е. чем больше ломаная линия приближается к заданной кривой f(V), тем выше точность расчетов.
V, км/ч

f(V)

fVi+1
∆Vi

Viср.
Vi

+f, H/кН

fi fiср. fi+1

Рисунок 10.4 – Линеаризация зависимости f(V)

132

11 Тяговые расчеты

11.1 Постановка задачи
Исходными данными при производстве тяговых расчетов являются:
– серия локомотива и его основные технические данные (масса, конструктивная скорость, расчетная сила тяги, осевая формула и т. д.);
– поездоучасток с профилем пути, расположением станций
и длинной их станционных путей;
– состав поезда и его тормозные средства;
– допустимые скорости движения поезда по участку;
– алгоритм производства тяговых расчетов (или по минимальному перегонному времени хода, или по минимуму расхода энергоресурсов на тягу поездов и т. п.).
Непосредственной задачей тяговых расчетов является определение
расчетной массы состава, определение всех трех координат движения
поезда по участку (скорости, пути и времени), а также расхода энергоресурсов на тягу поездов и температуры перегрева тяговых двигателей.

11.2 Определение расчетной массы состава
11.2.1 Постановка задачи
Обычно наибольшая масса грузового состава является наивыгоднейшей по производительности железных дорог. Поэтому расчет массы состава ведут из условия полного использования мощности и тяговых свойств локомотива. При этом различают следующие
виды масс (весовых норм) грузовых составов:
а) критическая масса состава (mс.кр) – это масса состава, определяемая по мощности локомотива, работающего в расчетном режиме, т. е.
с расчетной скоростью и расчетной силой тяги, при движении поезда на руководящем подъеме с равномерной скоростью. Критическая
масса состава определяется для каждого поездоучастка каждого
133

железнодорожного направления проверяется опытными поездками
и устанавливается приказом начальника дороги;
б) унифицированная (графиковая) масса состава (mс.ун) – это масса состава, принимаемая на железнодорожном направлении для транзитных поездов и проходящая по силе тяги для большинства поездоучастков данного направления, устанавливается ОАО «РЖД». На тех
участках, где унифицированная масса состава не проходит по силе
тяги, применяют двойную тягу или подталкивание;
в) параллельная масса состава (mс.п) – это масса отправительских
и порожних маршрутов, следующих без переформирования в пределах направления. Устанавливается министром путей сообщения.
Как следует из рассмотренных определений, рассчитывается только критическая масса состава.

11.2.2 Расчет критической массы состава
Расчет производится при условии движения поезда с равномерной скоростью на расчетном подъеме в расчетном режиме работы
локомотива, т. е. при работе локомотива с расчетной силой тяги Fкр
и расчетной скоростью Vр.
Расчетным подъемом на участке считается один из наиболее крутых и наиболее затяжных подъемов, при движении поезда по которому устанавливается равномерная скорость, равная расчетной скорости локомотива. Таким образом, расчетный подъем не может быть
преодолен с использованием кинетической энергии движения поезда.
Согласно отраслевому стандарту СТНЦ–01–95 для железнодорожных линий с колеей 1520 мм устанавливаются следующие значения руководящих подъемов:
а) до 9‰ – на особо грузонапряженных линиях;
б) до 12‰ – на линиях 1-й категории;
в) до 15‰ – на линиях 2-й категории;
г) до 20‰ – на линиях 3-й категории;
д) до 30‰ – на линиях 4-й категории.
Итак, при равномерной скорости движения поезда равнодействующая сила поезда равна нулю
F (V Р ) = 0 .

(11.1)

'
''
F
=
=
К (V Р ) W
К (V Р ) W К (V Р ) + W К (V Р ) .

(11.2)

Или

134

Откуда
FКР= (wо' + iР )mЛ ⋅ g + (wо'' + iР )mС.КР ⋅ g .

(11.3)

И окончательно

mС.КР

FКР
− (wо' + iР )mЛ
g
.
=
wо'' + iР

(11.4)

Примечание.
Полученное значение критической массы состава округляется
с точностью до 50 т. Кроме того, при определении wо' и wо'' целесообразно сразу же определять их не только для расчетной скорости,
но и для всего спектра скоростей от 0 до VДОП, и затем сразу заносить
в заранее подготовленную таблицу 11.1 удельных сил поезда (графы
1, 2, 3, 4, 5), которая будет заполняться потом по мере производства тяговых расчетов.

135

136

100

90

80

70

60

50

46,7

40

30

20

10

0

1

2

3

"
V,
w'0,
w04
,
км/ч Н/кН Н/кН

4

"
w08
,
Н/кН

5

"

w0 ,
Н/кН
6

φКР
7

bТ,
Н/кН

Таблица 11.1 – Удельные силы поезда

8

tП,
с
9

SП,
м
10

w0' Х ,
Н/кН
11

w0X,
Н/кН
12

13

fЭКС.Т,
w0,
Н/кН Н/кН
14

FК,
кН
15

fК,
Н/кН
16

fТ,
Н/кН

17

fСЛ.ТОРМ,
Н/кН

11.2.3 Проверка критической массы состава
Существуют следующие проверки критической массы состава:
а) по преодолению подъема большего, чем расчетный;
б) по троганию с места производится для раздельных пунктов
с наибольшим подъемом по условию
mС.КР ≤ mС.ТР ,

(11.5)

где mС.ТР – масса состава, который может быть взят с места.
m
=
С.ТР

FК.ТР
(wТР + w Д ) − mЛ ,
g

(11.6)

где FК.ТР – сила тяги локомотива при трогании с места, определяемая
по тяговой характеристике локомотива, кН;
wTP – удельное основное сопротивление движению поезда при
трогании с места, определяемое по выражениям (9.29)
и (9.30), Н/кН;
wД – удельное дополнительное сопротивление движению поезда от уклона и кривой на месте трогания, Н/кН;
в) по длине поезда LП, которая не должна превышать полезной
длины приемо-отправочных путей LПОП на станциях участка обращения данного поезда, т. е.

LП ≤ LПОП ,

(11.7)

LП = LС + N Л ⋅ LЛ +10 ,

(11.8)

где

где LП, NЛ – длина и число локомотивов в поезде соответственно, м;
10
– допуск на установку поезда, м;
LC
– длина состава, м.
=
LС

∑N

В.i

⋅ LВ.i ,

(11.9)

где LB.i, NB.i – длина и число однотипных вагонов в составе поезда
соответственно, м.
N В .i =

mС ⋅ αi
,
mВ .i

(11.10)

137

где mB.i – средняя масса однотипной группы вагонов, т;
αi – д
 оля состава (по массе), приходящаяся на группу однотипных вагонов;
г) по крутизне подъема, на котором разрешается трогание с места
с критической массой состава;
д) по нагреву тяговых двигателей;
е) по мощности системы энергоснабжения.

11.3 Построение диаграммы основных удельных
результирующих сил поезда
11.3.1 Режим тяги
Равнодействующая сила поезда в режиме тяги:
f=
f К − wо ,
Т

(11.11)

где

fК =

FК
.
mg

(11.12)

FK берется из тяговой характеристики локомотива,
wо =

wо' ⋅ mЛ + wо" ⋅ mС .
mЛ + mС

(11.13)

Результаты расчетов заносятся в графы 13, 14, 15, 16 таблицы 11.1.

11.3.2 Режим выбега
Здесь
fВ = −wоХ ,

(11.14)

где
wоХ =

w Х ⋅ mЛ + wо" ⋅ mС
.
mЛ + mС

Для всех локомотивов на звеньевом пути
138

(11.15)

wХ = 2, 4 + 0, 0111 ⋅V + 0.000035 ⋅V 2 .

(11.16)

Заполняются графы 10 и 11 таблицы 11.1.

11.3.3 Режим экстренного торможения
Равнодействующая сила поезда в режиме экстренного торможения
fЭТ =
−wоХ − bТ ,

(11.17)

=
bТ 1000 ⋅V ⋅ ϕКР .

(11.18)

где
Для чугунных колодок
0, 27(V + 100) .
ϕКР =
5 ⋅V + 100

(11.19)

Заполняются графы 6, 7 и 12 таблицы 11.1.

11.3.4 Режим регулировочного и служебного торможения
Здесь
fСТ =
−wоХ − 0,5 ⋅ bТ .

(11.20)

Результаты расчетов заносятся в графу 17 таблицы 11.1.
По данным таблицы 11.1 строится диаграмма основных удельных равнодействующих сил поезда для всех рассмотренных режимов
работы локомотива. Пример диаграммы приведен на рисунке 9.12.

11.4 Решение тормозной задачи
11.4.1 Постановка задачи
Процесс движения поезда в режиме механического торможения
определяется следующими четырьмя взаимосвязанными физическими факторами:
bТ 1000 ⋅V ⋅ ϕКР , Н/кН;
а) тормозными средствами поезда –=
w
±
i
б) профилем пути – w=
,
Н/кН;
К
о
в) скоростью начала торможения – VНТ, км/ч;
г) величиной тормозного пути – SТ, м.
139

Отсюда следует, что в общем случае возможны четыре группы тормозных задач по определению одной из четырех неизвестных величин по оставшимся известным трем величинам. Учитывая, что обычно задаются профилем пути и тормозными средствами поезда, то на
практике встречаются два следующих вида тормозных задач:
– определение тормозного пути по известному профилю пути, заданным тормозным средством поезда и скорости начала торможения;
– определение допустимой скорости начала торможения по известному профилю пути, заданным тормозным средством поезда
и заданному тормозному пути.
Первая задача встречается при регулировочном и служебном торможениях, а вторая – при экстренном торможении.

11.4.2 Решение тормозной задачи при регулировочном
торможении
Здесь построение зависимости V(S) производится методом МПС, а за равнодействующую силу поезда принимается –
fМТ.СЛ =
−wоХ − 0,5 ⋅ bТ (рисунок 11.1).
V, км / ч

V, км /ч

VДОП

80
70
60

f СТ

–ij

f, Н /кН

0

–ij

Рисунок 11.1 – Решение тормозной задачи
при регулировочном торможении

140

S, км

11.4.3 Решение тормозной задачи при служебном торможении
Если отсутствует точное указание места остановки поезда, то решение задачи производится точно так же, как и при регулировочном торможении, но только ведется оно до полной остановки поезда.
Если место остановки задано (например, на конкретном раздельном пункте), то графическое построение зависимости V(ST) ведется
уже справа налево, т. е. от точки заданной остановки поезда до точки пересечения (т. А) с зависимостью V(S), идущей от начала участка (рисунок 11.2):
V, км / ч
60

т.А

50
40
30
20
10

р .п. Б

0

S, км

Рисунок 11.2 – Решение тормозной задачи при служебном торможении

11.4.4 Решение тормозной задачи при экстренном торможении
В этом случае за равнодействующую силу поезда принимается
fЭТ =
−wоХ − bТ .

(11.21)

Как известно, в связи со спецификой действия автотормозов полный тормозной путь SТ имеет две составляющие:

=
S Т S ПТ + S ДТ ,

(11.22)

где SПТ – тормозной путь, пройденный поездом за время подготовки тормозов к действию;
SДТ – тормозной путь, пройденный поездом за время действия
тормозов.
Подготовительный тормозной путь SПТ определяется по выражению
141

S ПТ = 0, 278 ⋅VНТ ⋅ tПТ ,

(11.23)

где VНТ – скорость начала торможения, км/ч;
tПТ – время подготовки тормозов к действию, с.

tПТ =

a − d ⋅i ,
bТ

(11.24)

где a, d – коэффициенты, значения которых для грузовых поездов
определяются числом осей, а для пассажирских – наличием электропневматических тормозов;
i – значение уклона на тормозном пути, ‰ (при спуске значение берется со знаком «минус»).
Действительный тормозной путь SДТ определяется путем решения
основных уравнений движения поезда графическим методом МПС.
Тогда решение тормозной задачи при экстренном торможении
может быть получено графическим способом: если из начала заданного тормозного пути SТ по выражению (11.23) построить зависимость SПТ(VНТ), а из конца тормозного – зависимость VНТ(SДТ), то
точка их пересечения и даст значение допустимой скорости начала
торможения – VНТ.ДОП (рисунок 11.3).
V, км / ч

V, км/ч

Vнт1
80
Vнт2
70
60

Vдоп

вариант 1

Vнт1 > Vдоп
Vнт2 < V доп

вариант 2
Sдт(Vнт)

50

f ЭТ

40

Sпт(Vнт)

30
20
10
iснб

+f , Н/ кН

SТ
0

1200

S, м

Рисунок 11.3 – Решение тормозной задачи при экстренном торможении

Примечание.
Если окажется, что VНТ.ДОП > VДОП, то это означает, что ограничение по скорости начала торможения на данном элементе профиля
142

пути отсутствует. Обычно тормозную задачу при экстренном торможении решают на самом крутом спуске поездоучастка.

11.5 Построение кривых движения поезда
11.5.1 Способы решения основного уравнения движения поезда
Процесс построения кривых движения поезда заключается в решении основного уравнения движения поезда (11.4). Различают три
способа решения основного уравнения движения поезда: аналитический, графический и с помощью ПЭВМ.

11.5.2 Аналитический метод решения основного уравнения
движения поезда
При линеаризации нелинейной зависимости f(V ) методом малых отклонений, когда за независимую переменную взята скорость
V, имеем следующие условия линеаризации:
∆Vi = Vi +1 −Vi = Const;
V ср.i =

Vi +1 +Vi
;
2

f ср.i =

fi +1 + fi
,
2

где fср. = Const в интервале ΔVi.
Технология вычислительного процесса зависимостей V(S) и t(S)
следующая: задаемся значением ΔVi и по формулам (11.27), (11.29)
вычисляем ΔSi и ΔSi +1 , а по (10.26) и (10.28) – Δti и Δti +1, результаты
заносим в таблицу 11.2; на следующем шаге задаемся ΔVi +1 и вычисляем ΔSi +1, Si +2, Δti +1, ti +2; соответственно на n-ом шаге ΔVi +n вычисляем ΔSi +n , Si +(n+1), Δti +n , ti +(n+1) и далее аналогично.
Таблица 11.2 – Результаты тяговых расчетов
V, км/ч
1
0-10
10-20

ΔS, км
2
0,4
0,5

S, км
3
0,4
0,9

Δt, мин
4
0,3
0,25

t, мин
5
0,3
0,55

143

Окончание таблицы 11.2
V, км/ч
20-30
30-40
40-50
50-60
60-70
70-80

ΔS, км
0,7
0,3
0,5
0,6
1,1
0,9

S, км
1,6
1,9
2,4
3,0
4,1
5

Δt, мин
0,2
0,15
0,1
0,1
0,18
0,15

t, мин
0,75
0,9
1
1,1
1,28
1,43

Порядок построения графических зависимостей V(S) и t(S) по полученным данным расчетов показан на рисунке 11.4.
V, км/ч

f(V)
V(S)

60
50
40

V(t)

30
20
10
+f, Н/кН fср.(i -1) fср.i

0

S, км

Рисунок 11.4 – К аналитическому методу вычисления
основного уравнения движения

11.5.3 Графический метод вычисления основного уравнения
движения поезда
Построение зависимости V(S) методом МПС
Линеаризация зависимости f(V) точно такая же, как и при аналитическом методе, но при построении точек 1,2,3,4 и т. д. для зависимости V(S) и точек 1’,2’,3’,4’ и т. д. для зависимости t(S) применяется графический способ, который называется методом МПС. Данный
метод приведен в ПТР и до появления ПЭВМ являлся основным
в практике производства тяговых расчетов.
144

Пусть дана зависимость f(V) и зависимость V(S) до точки Б (Vi, Si)
(рисунок 11.5)
Рассмотрим интервал ΔVi = Vi+1 – Vi (при этом считаем, что профиль пути в этом интервале площадка, т. е. i = 0). На зависимости
f(V) в интервале ΔVi отметим точку А (fср.i; Vср.i) и проведем луч АО,
к которому через точку Б проведем перпендикуляр ДД'.
V, км/ч

V, км/ч

f(V)

т.В

Vi+1
т.А

∆Vi

Vcp.i

Vi

т.Б

Д'

β

Д
fi
+f, Н/кН

fi+1
fcp.i

α
0

∆S
0

S

Si+1

S, м

Рисунок 11.5 – К графическому методу вычисления
основного уравнения движения поезда

Определим условие, при котором отрезок БВ этого перпендикуляра и будет являться зависимостью V(S) в интервале ΔVi. Обозначим углы β и β' и запишем:
f ср.i ⋅ m f
;
tgβ ' =
V ср.i ⋅ mV

(11.25)

∆Vi ⋅ mV
.
∆S i ⋅ mS

(11.26)

tgβ =

По построению углы β и β' – это углы со взаимно перпендикулярными сторонами, т. е. β = β', а значит, tgβ = tgβ'. Откуда с учетом
(10.27) имеем:
145

mS = 120

mV2
.
mf

(11.27)

Выражение (11.3) – это условие выбора масштабов, при выполнении
которого отрезок БВ и будет являться зависимостью V(S) в интервале ΔVi.
Тогда порядок построения зависимости V(S) оказывается следующим:
– кривую f(V) разбивают на отрезки ΔVi и отмечают в них точки с fср.i ;
– через точки с fср.i и начало координат в системе f(V) проводят
лучи fср.i – Oi , перпендикуляры к которым и дадут ΔVi (ΔSi) в соответствующих интервалах скоростей в системе V(S);
– за начало координат Oi в системе f(V) в каждом интервале скоростей ΔVi берется точка “О + i”, которая образуется при сдвиге ВПРАВО на – i‰ (спуск) или ВЛЕВО на +i‰ (подъем) от первоначальной точки “О” начала координат в системе f(V).
Примечание: внутри интервала ΔVi не должно находиться ни перелома кривой f(V), ни перелома профиля пути.
Построение зависимости t(S) методом МПС
Выполняется по предварительно построенной зависимости V(S).
Пусть дана зависимость V(S) (кривая 1) и соответствующая ей зависимость t(S) (кривая 2) (рисунок 11.6).
Рассмотрим произвольный интервал ΔVi = Vi+1 – Vi, которому соответствует интервал ΔSi = Si+1 – Si. Определим, при каком условии
отрезок БВ луча АА' в интервале ΔSi является зависимостью t(S), т. е.
его проекция на ось “t” даст интервал Δti = ti+1 – ti .
Обозначим угол β. Тогда
tgβ =

∆ti ⋅ mt
.
∆S i ⋅ mS

(11.28)

Возьмем произвольную прямоугольную систему координат V(x),
которая сопараллельна системе V(S). На оси V отложим отрезок
О – Vср.i (точка С) и проведем из точки С луч СС', перпендикулярный лучу АА'. Луч СС' отсекает на оси x отрезок Δ.
Обозначим угол β'. Тогда
∆
tgβ ' =
.
V ср.i ⋅ mV
146

(11.29)

По построению углы β и β' – это углы с взаимно перпендикулярными сторонами, т. е. β = β'. Тогда из равенства их тангенсов
и (10.27) следует
∆=

mV ⋅ mt
.
mS

(11.30)

Значит, если отрезок Δ выбрать по условию (11.6), то перпендикуляр к лучу, проведенному через точки Vср.i и Δ, даст в интервале ΔSi
зависимость t(S).
V, км/ч

V, км/ч

∆S

V(S)

Vi+1

т.С

Vcp.i

Vi
β'

т.Б

ti

∆ti

β

t(S)

2

x

0

0
А

A'

т.В

ti+1

∆

1

Si

Si+1

S, м

С

Рисунок 11.6 – Построение зависимости t(S) методом МПС

Отсюда следует такой порядок построения зависимости t(S):
– берется предварительно построенная зависимость V(S) с теми
же интервалами ΔVi и ΔSi ;
– готовится шаблон, представляющий собой семейство прямоугольных треугольников, имеющих один общий катет, равный по величине Δ, а гипотенузы этих треугольников образованы лучами, соединяющими точку Δ со всеми точками Vср.i , находящимися на втором катете;
– шаблон Vср.i (Δ) располагается так, чтобы его ось Vср.i была параллельна оси скорости зависимости V(S);
147

– перпендикуляры, проведенные к этим лучам, и дают зависимость t(S) в соответствующих интервалах ΔSi .
Пример.
V, км/ч

V, км/ч

V, км/ч
t, ч
50
6

40
4

30
20
10

∆

x

2

V(S)

t(S)

1

0

f, Н/кН

3

5

0
1800

2
1900

−5
800

S, м

Рисунок 11.7 – Пример построений кривых движения
поезда методом МПС

Примечание.
Согласно рассмотренной технологии проведения вычислительных процедур, при решении основных уравнений движения поезда
аналитическим и графическим методами, основная часть блок-схемы математической модели движения поезда может быть представлена так, как на рисунке (11.8).

НУ: V0; t0; S0
∆Vi = const; fср.i; Vср.i
f

Vi+1 = Vi + ∆Vi

S i +1 = S +V ср.i
ti +1 = ti +

∆Vi
120 ⋅ f ср.i

∆Vi
120 ⋅ f ср.i

V
S

t

Рисунок 11.8 – Блок-схема математической модели движения поезда
148

11.6 Оценка полученных результатов
После построения кривых движения определяют время хода по
участку, а также техническую и участковую скорости, которые относятся к качественным показателям работы железной дороги. Анализ результатов заключается в выявлении режимов ведения поезда,
обеспечивающих получение наименьшего времени хода и режимов,
обеспечивающих наименьший расход электроэнергии при разгоне,
движении с установившейся скоростью, замедлении на элементах
с ограничением скорости и замедлении до полной остановки поезда на промежуточной станции или станции назначения. На основе оценки полученных результатов тяговых расчетов делается вывод
о возможности получения наименьшего расхода электроэнергии при
соблюдении полученного времени хода.
Очевидно, что для повышения пропускной способности необходимо снижать время хода по участку, а следовательно, повышать
среднюю скорость поезда. Для получения наибольшей средней скорости движения требуется наибольшая возможная результирующая
сила, которая получается в тяговом режиме при работе с наибольшим
тяговым усилием (с учетом ограничения силы тяги по сцеплению колес с рельсами). Движение с наибольшей возможной силой тяги до
конца элемента профиля пути или до точки пути, где скорость движения достигает допустимого значения, и дальнейшее движение со
скоростью, близкой к допустимой, обеспечивают наибольшую возможную скорость в конце рассматриваемого элемента профиля пути,
тем самым создаются условия для получения наименьшего времени
хода на следующем элементе.
Следует учитывать, что уменьшение времени хода, как правило, сопровождается увеличением расхода электроэнергии или топлива, т. к. для поддержания скорости около допустимого значения
чаще всего приходится чередовать режимы тяги и торможения, а режим выбега, в котором поезд расходует только собственную накопленную энергию, будет использоваться значительно реже. В связи с этим экономически целесообразно снижать время хода за счет
увеличения допустимой скорости движения и снижения количества
и времени стоянок поезда.

149

11.7 Использование результатов тяговых расчетов
Результаты тяговых расчетов используются:
– при разработке режимных карт ведения поезда;
– при составлении графика оборота локомотивов;
– для окончательного уточнения параметров подвижного состава,
масс поездов, режимов и эксплутационных показателей их работы;
– при изысканиях и проектировании железных дорог;
– при решении задач, связанных с повышением эффективности
работы железнодорожного транспорта.
Например, при составлении режимных карт используют зависимости потребления поездами тока или мощности от пути или времени и расхода энергии на их движение. Времена хода и скорости
движения поезда по перегонам используются при составлении графика оборота локомотивов. Ток тяговых электродвигателей и время
потребления необходимы при расчете их нагрева в тяжелых режимах работы. Кривые потребления поездами тока и энергии на электрифицированных линиях требуются для расчета системы электроснабжения дороги.

150

12 Организация эксплуатации локомотивов

12.1 График движения поездов.
Основой организации эксплуатационной работы на железнодорожном транспорте является график движения поездов, объединяющий работу всех его предприятий.
На основании графика определяются количественные показатели локомотивных депо и других организаций железнодорожного транспорта.
График движения поездов представляет лист высотой 814 мм, на
котором нанесена масштабная сетка. Вертикальные жирные линии
соответствуют часам суток (0–24 ч), каждый час разделен штриховыми линиями на получасовые интервалы, тонкими линиями – на 10минутные интервалы.
Горизонтальные линии сетки графика в масштабе соответствуют
осям станции. На графике указываются важнейшие данные: размещение технических пунктов, расстояние между ними, нормы масс
поездов.
Толстые наклонные линии обозначают на графике движение скорых и пассажирских поездов, их нумерация 1–900, грузопассажирских 901–1000.
Тонкими линиями условно обозначают грузовые поезда. Принята следующая нумерация грузовых поездов: сквозные 2001 до 2198,
участковые с 3001 до 3398, сборные 34001 до 3498.
В зависимости от эксплуатационных условий графики движения
поездов подразделяются на однопутные и двухпутные; по соотношению размеров движения – парные и непарные; по расположению поездов попутного следования – обычные, пачечные и пакетные. По
соотношению скоростей движения поездов различных категорий подразделяются на параллельные и непараллельные.
Максимальное число грузовых поездов, которое возможно проложить на графике, определяется из выражения
nmax = 1440/Tр – nпас.·Εп – nсб.·Εсб.,

(12.1)
151

где 1440
Tр
nпас., nсб.
Εп, Εсб.

– число минут в сутках;
– интервал попутного следования, мин;
– количество пассажирских и сборных поездов;
– коэффициент съема грузовых поездов пассажирскими
и сборными поездами.
Исследования ведущих ученых ОАО «НИИЖТ» показали, что
в большинстве случаев по ниткам графика не всегда идут поезда,
а переход на твердый график неосуществим. Поэтому основным способом управления перевозками должна быть система оперативного планирования, а график движения поездов должен представлять
технологическую основу для планирования перевозочного процесса, хотя ряд его положений носит директивный характер (расписание пассажирских поездов, сборных поездов и др.).

12.2 Способы обслуживания поездов локомотивами
Обслуживание поездов локомотивами осуществляется по определенным схемам, выработанным практикой и теорией организации
и эксплуатацией локомотивов.
В зависимости от размещения на линии основных и оборотных
депо; транзитности грузопотока, типа графика движения применяют
следующие способы обслуживания поездов локомотивами: плечевой,
кольцевой, петлевой, в зоне обращения (рисунок 12.1).
а

в
А

б

В

В

Б

А

Б

А

Б

г
Б

А

Рисунок 12.1 – Способы обслуживания поездов локомотивами:
а – плечевой; б – кольцевой; в – петлевой; г – в зоне обращения (зонный)

152

С удлинением участков обращения поездов предусматривается
следование локомотива с поездом от места зарождения грузопотока, сортировочной станции до другой сортировочной станции, до
мест стыкования родов тока, например, Челябинск – Рыбное и др.
Длина плеч обслуживания определяется запасом песка и временем продолжительностью между техническими обслуживаниями.
Длина плеч обслуживания исходя из запасов песка определяется по формуле
Lпес = 0,9·Eп·106/Q·Lп max,

(12.2)

где 0,9

– коэффициент, учитывающий 10% страховой запас песка
в песочных бункерах;
Eп – расчетная вместимость песочных бункеров на поездку
«туда», м3;
Q
– масса поезда брутто, т;
Lп max – максимальная норма расхода, м3/млн т км (брутто).
Увеличение длины плеча возможна при устройстве пересыпки песка из бункеров, предназначенных для хранения песка, для обратного следования по ходу поезда или на остановках, как это сделано на
электровозах ВЛ10 депо Московка Западно-Сибирской железной дороги и применением электронной схемы регулирования подачи песка, разработанной в ОАО «НИИЖТ», и устанавливаемый в порядке
модернизации при капитальных и средних ремонтах и обеспечении
полной экипировки песком в пунктах оборота по концу участков.
Длина участка из условий проведения технического обслуживания ТО-2 в конечных пунктах определяется из выражения:
Lп ТО-2 = TТО-2 · νуч.,

(12.3)

где TТО-2 – норма периодичности технического обслуживания установленная для данного момента распоряжением ОАО
«РЖД»;
νуч – средняя участковая скорость на всем участке.
Удлинение и объединение тяговых плеч электровозов и работа
объединенным электровозным парком нескольких дорог является
приоритетным направлением в обеспечении движения поездов на
целых полигонах.

153

12.3 Оборот электровоза
Продолжительность работы на участке, ограниченным основным
и оборотным эксплуатационным локомотивным депо, слагается из
ряда элементов. Электровоз начинает работу в основном депо с момента выхода после экипировки и технического обслуживания ТО-2
из ремонтного локомотивного депо на контрольный пост для следования к поезду, прицепки, пробы автотормозов, получения документов и разрешения отправится с поездом на участок. Затем следует по
графику до станции оборотного эксплуатационного локомотивного
депо. После прибытия следует в оборотное депо для ожидания отправления обратно. Техническое обслуживание ТО-2 и экипировка
предусматривается при удлиненных тяговых плечах. Из оборотного
депо отправляется к поезду, прицепляется, производится проба тормозов. Бригада получает документы и ожидает отправления. Электровоз следует с поездом до стации основного депо. Отцепляется, следует в депо. Цикл повторяется.
Полным оборотом электровоза называется время обслуживания
одной пары поездов на тяговом плече и определяется из выражения:
Тоб = Ттуда + Тоб + tосн + tоб,

(12.4)

где Ттуда – время следования до станции оборота, ч.;
Тоб – время следования обратно от станции оборотного до станции основного депо, ч.;
tосн. – время нахождения электровоза на станции основного депо, ч.;
tоб – время нахождения электровоза на станции оборотного депо, ч.
Время следования туда до станции оборотного депо определяется по формуле:
Ттуда = L/νуч.туда,

(12.5)

где L

– длина участка от станции основного депо до станции оборотного депо;
νуч.туда – участковая скорость движения поездов на данном участке туда, км/ч.
Время следования обратно от станции оборотного депо до станции основного депо:
Тобр = L/νуч.обр,

154

(12.6)

где νуч.обр – участковая скорость движения поездов обратно на участке, км/ч.
Обычно участковая скорость равняется 0,7–0,8 технической скорости.
Время нахождения электровоза на станции основного депо определяется:
tосн = tтех + tот,

(12.7)

где tтех – норма нахождения электровоза на станции основного эксплуатационного локомотивного депо, включающие проследование, время технического обслуживания ТО-2, экипировки и др.;
tот – время ожидания отправления поезда.
Время нахождения электровозов на станции оборотного эксплуатационного локомотивного депо, такое же как, и в основном эксплуатационном локомотивном депо, исключая техническое обслуживание ТО-2 и экипировку в ремонтном локомотивном депо. На
удлиненных тяговых плечах с устройствами пересыпки песка в пути
следования из песочных бункеров обратного следования возможно
считать – tосн = tоб.

12.4 График оборота локомотивов
График оборота – это модель работы локомотивов на участках обращения. Он представляет собой графическое изображение ведомостей оборота, привязанной к масштабной суточной сетке. В графике
оборота в выбранном масштабе отмечается время следования каждого поезда между пунктами оборота локомотива, время простоев в этих
пунктах с учетом фактически увязок времени прибытия и отправления с поездами по расписанию при условии соблюдения нормированного времени на техническое обслуживание, прием, сдачу локомотивов, пробу тормозов, получение документов и др. в пунктах оборота.
Методика построения графика оборота локомотива заключается
в следующем: одним условным локомотивом в установленной последовательности перевозят на участке обращения все заданные пары
поездов с соблюдением правил увязки оборота локомотивов.
Линия времени движения локомотива с поездом по графику
движения и простоев в пунктах оборота проецируется в принятом
155

масштабе на горизонтальную линию в том же масштабе, равной
24 ч суток. При заполнении 24 ч первых суток работа локомотива
переносится на вторые, затем третьи сутки и т. д., пока не будут обслужены все поезда. Число суток, потребных на обслуживание всех
поездов одним условным локомотивом соответствуют числу локомотивов эксплуатируемого парка, необходимых для обслуживания заданного числа поездов в течение одних суток.
Если график работы условного локомотива после обслуживания
всех поездов замыкается на тот же поезд, с которого он начинался, то
он называется единым типовым графиком. График, который замыкается ранее чем локомотив обслуживает все поезда называется групповым.
График оборота может быть не только расчетной моделью, но
и планом работы локомотивов, если будут твердые нитки графика
и не будет сбоя в движении поездов. Однако в настоящее время движение поездов осуществляется по диспетчерским расписаниям, поэтому графики оборота используются только для расчета потребности эксплуатационного парка локомотивов.
Пример составления графика оборота электровоза на основании
ведомостей оборота приведен на рисунке 12.2.
Часы суток
0
1

2

4
2133

6

8

10

12

14

2136

16

18

20
2139

2138

2
2135

3

2140

4
1237

5
6

2134

Рисунок 12.2 – График оборота электровозов

156

22

24

Составление графика оборота начинается с нанесения на масштабную сетку 24 ч первого поезда, отправляющегося от 0-00 часов.
По ведомости оборота ЦДЛ № 1 на графике откладываем в масштабе время следования поезда 2133, а за ним следующий по привязке.
Первый круг замыкается поездом 2138, ранее, чем обслужатся все поезда. Второй круг начинается с новой строки поездом 2135 и заканчивается 2140. Количество строк 4 соответствуют числу электровозов эксплуатационного парка полученного по расчету.

12.5 Показатели использования локомотивов
12.5.1 Плановые и расчетные показатели
Работа эксплуатационного локомотивного депо осуществляется на основе плана экономического и социального развития и финансового плана, которые разрабатываются с учетом установленных
долговременных экономических нормативов и лимитов, электро­
энергии и т. п.
В перспективных и годовых планах эксплуатационного локомотивного депо утверждаются следующие показатели и нормативы (рис. 12.3).
Объемные (количественные) показатели:
– тонно-километры брутто общие, в том числе по видам движения (грузовое, пассажирское) в границах участков обслуживания локомотивными бригадами;
– локомотиво-часы маневровой работы;
– локомотиво-часы хозяйственного движения.
– эксплуатируемый парк подвижного состава, в том числе по видам движения и работы (грузовое, пассажирское, маневровая и хозяйственная работа), в границах обращения локомотивов.
Качественные показатели:
– себестоимость перевозок.
Кроме того, для депо утверждаются прибыль по перевозкам, расчетные цены измерителей работы эксплуатационного локомотивного депо, нормативы прироста фонда заработной платы работников,
связанных с перевозками и др.
Хозрасчетными измерителями эксплуатационной работы локомотивного депо являются: 1000 т·км брутто в грузовом движении; 1000 т·км
брутто в пассажирском движении; 1000 лок.-ч. в хозяйственном
движении; 1000 локомотиво-ч в маневровой работе; 1000 лок-ч
157

сверхпланового содержания эксплуатируемого парка локомотивов
грузового движения (для расчетов между эксплуатационными локомотивными депо и дирекцией тяги при ухудшении использования локомотивов по времени); 1 поездо-ч задержки поезда по вине
эксплуатационного локомотивного депо (для расчетов между депо
и дирекцией тяги).
Являясь хозрасчетным предприятием, эксплуатационное локомотивное депо несет ответственность за невыполнение своих обязанностей и допущенный брак в работе. Оно должно выплачивать дирекции тяги штрафы за задержки поездов.
Кроме плановых показателей, нормативов и хозрасчетных измерителей эксплуатационного локомотивного депо, для оценки деятельности подразделений локомотивного хозяйства используют ряд
расчетных показателей, характеризующих качество труда работников
локомотивных депо и эффективность эксплуатации локомотивов.
К таким показателям относятся (рис. 12.3): средняя скорость движения, среднесуточный пробег, среднесуточная производительность
локомотива, средняя масса поезда, суточный бюджет времени, процент неисправных локомотивов.

Техническая

Полезная работа

Участковая

Работа в чистом движении

Ходовая

Рисунок 12.3 – Расчетные показатели локомотивного депо
158

Суточный бюджет
времени, ч.

Средняя масса
поезда брутто, т

Среденесуточная
производительность,
т · км брутто

Среденесуточный
пробег, км

Средняя скорость
движения, км/ч

Расчетные показатели

Объемные показатели – тонно-километры брутто общие в грузовом движении и пассажирооборот, т. е. пассажиро-километры,
являются определяющими при оценке работы локомотивов. Эти
показатели для дорожной дирекции тяги с разбивкой по кварталам утверждаются Центральной дирекцией тяги ОАО «РЖД». Для
эксплуатационных локомотивных депо эти показатели утверждают дорожной дирекции тяги. Хозрасчетный статус депо открывает возможность заключения прямых договоров с предприятиями на
выполнение определенного объема перевозок без каких либо ограничений плановых показателей.
Тонно-километры брутто в целом по депо определяются по маршрутам машинистов или подсчитываются по формуле:
Ат = ∑n2lбр.i ∙ Ni ∙ Qср.i,

(12.8)

где n – число участков обслуживания в зоне депо;
lбр.i – длина i-го участка обслуживания (работы) бригад;
Ni – число пар поездов на i-м участке;
Qср.i – средняя масса состава на i-м участке.
Масса груза, находящегося в вагонах грузового поезда, определяется по натурным листам, а при их отсутствии – по грузоподъемности вагонов.
Из формулы видно, что при заданной работе Ат увеличение средней массы состава Qср приводит к сокращению числа пар поездов
и снижению всех эксплуатационных расходов на перевозки, пропорциональных числу пар поездов, курсирующих на участке.

159

Библиографический список

1. Развитие локомотивной тяги / под ред. Фуфрянского Н. А. – М. :
Транспорт, 1982. – 303 с.
2. Железные дороги. Общий курс : учебник для вузов / под ред.
М. М. Уздина. – 4-е изд. – М. : Транспорт, 1991. – 295 с.
3. Клауснитцер Х. Г. Введение в электротехнику : пер. с нем. /
Х. Г. Клауснитцер. – М. : Энергоатомиздат, 1985. – 480 с.
4. Сивухин Д. В. Электричество / Д. В. Сивухин. – М. : Физматлит,
2002. – 654 с.
5. Токарев Б. Ф. Электрические машины / Б. Ф. Токарев. – М. :
Энергоатомиздат, 1990. – 624 с.
6. Сидоров Н. И. Как устроен и работает электровоз / Н. И. Сидорова, Н. Н. Сидорова. – 5-е изд., перераб. и доп. – М. : Транспорт, 1988. – 223 с.
7. Айзинбуд С. Я. Эксплуатация локомотивов / С. Я. Айзинбуд,
П. И. Кельперис. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Транспорт,
1990. – 261 с.
8. Правила тяговых расчетов для поездной работы (ПТР). – М. :
Транспорт, 1985. – 287 с.
9. Розенфельд В. Е. Теория электрической тяги : учебник для вузов
ж.-д. трансп. / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров.–
2-е изд., перераб. и доп. – М. : Транспорт, 1983 – 328 с.
10. Гребенюк П. Т. Тяговые расчеты : справочник / П. Т. Гребенюк. –
М. : Транспорт, 1987 – 256 с.
11. Подвижной состав и основы тяги поездов / под ред. С. И. Осипова. – М. : Транспорт, 1990. – 336 с.
12. Подвижной состав и тяга поездов / под ред. В. В. Деева и Н. А. Фуфрянского. – М. : Транспорт, 1979. – 367 с.
13. Айзинбуд С. Я. Локомотивное хозяйство : учебник для вузов ж.-д.
трансп. / С. Я. Айзинбуд [и др.] ; под ред. С. Я. Айзинбуд. – М. :
Транспорт, 1986. – 263 с.

160