Федеральное АгентствоЖелезнодорожного Транспорта
Иркутский Государственный УниверситетПутей Сообщения
Реферат по основам теорииэлектрической тяги:
«Нетрадиционные виды тяги»
Выполнил: студент группы ЭНС-07-2-1
Горшков В.К.
Проверил: Дмитриева М.Л.
г. Иркутск 2009 г.
Введение
Исторически на железныхдорогах сложилось два вида тяги. При одном из них на локомотивах располагаетсятепловой двигатель с запасом топлива и воды, расходуемые на выработку энергии,необходимой для движения поезда. Запасы топлива, воды и смазки по мере ихрасходования пополняют обслуживающие бригады в специальных заправочных (экипировочных)пунктах.
Локомотивы другого видатяги – это электровозы и моторные вагоны, на которых для питания тяговыхэлектродвигателей используется электроэнергия, вырабатываемая наэлектростанциях (источник электрической энергии) и передаваемая по линиямэлектропередачи через тяговые подстанции и тяговую сеть. Благодаря отсутствиютеплового двигателя и запаса топлива мощность локомотивов данного достаточновысока.
Отсюда и получили своеназвание эти виды тяги: первая – автономная, вторая -неавтономная.
Локомотивы автономнойтяги подразделяют по наиболее характерному признаку – принципу действия их тепловыхмашин; неавтономной тяги – также на основе ее наиболее характерного признака –по роду тока и значению напряжения в контактной сети.
Рассмотрим наименеераспространенные виды тяги – автономную и комбинированную.
1. Автономная тяга
1.1 Паровая тяга
Локомотивы, использующиев качестве энергетической установки машину, носят названия паровозов.Паровозы были первым и долгое время господствующим типом локомотивов, сыграв,таким образом, огромную роль в становлении железнодорожного сообщения. Лишьначиная с середины XX столетия их вытеснили тепловозы и электровозы. Однакопаровозы всё ещё активно используются в различных странах, например, в Китае,на Кубе, в Таиланде и Африканском континенте (в основном там, где дешёвоепаровозное топливо).
Происхождение названия.
Изобретение слова«паровоз» приписывается Н.И. Гречу, который в середине XIX века издавал газету«Северная пчела». До этого паровоз называли «самокатная паровая машина»,«паровая фура», «паровая телега», «пароходка» — у Черепановых и В.А. Жуковского,и даже «пароход». В первых отчётах строителя Царскосельской железной дороги Ф.А.Герстнера встречается: «паровая машина», «паровой экипаж», «паровая карета». С 1837года Герстнер уже использует слово «паровоз».
История паровоза.
Самый первый паровоз былпостроен Ричардом Тревитиком в 1804 году, однако первый по-настоящемуработоспособный паровоз, «Ракета» (Rocket) был создан Джорджем Стефенсоном в 1830году. В течение XIX века паровозы совершенствовались, например, был изобретёнпароперегреватель, вводились новые типы паровых машин (например,компаунд-машины). К началу XX века сложилась устоявшаяся конструкция паровоза.Тогда же у паровоза появились конкуренты — электровозы и тепловозы. После Второймировой войны в Европе и Северной Америке паровозы перестали строить.Сохранившиеся машины ещё проработали до шестидесятых-восьмидесятых годов, послечего были выведены из эксплуатации.
Дольше паровозыпродержались в странах Азии. Так, в Индии на железных дорогах широкой колеипаровозы использовались до 1996 года. В Китае паровозы строились вплоть довосьмидесятых годов, они широко используются и в начале XXI века.
На Кубе сохранилосьбольшое число очень старых (средним возрастом в 70-80 лет) паровозовпроизводства США. Дело в том, что после прихода к власти на Кубе Ф. Кастро СШАввели против Кубы торговое эмбарго, и, таким образом, Куба не могла закупатьболее современные локомотивы.
В Европе, России иСеверной Америке в наши дни паровозы используются на музейных железных дорогах,также поддерживается паровозная инфраструктура (депо, запасы угля, водонапорныебашни и др.): паровоз является стратегическим транспортным средством на случайвойны.
/>/>/>Отличия пассажирского и грузовогопаровозов.
Пассажирские и грузовыепаровозы внешне заметно отличаются друг от друга, что объясняется следующимипричинами:
Пассажирскому паровозу ненужен большой сцепной вес, поэтому может быть уменьшено количество движущих или«сцепных» колёс, осуществляющих сцепление с рельсами за счёт сил трения;
Скорость пассажирскихпаровозов должна быть выше, для этого увеличивают диаметр сцепных колёс иустраивают перед ними «бегунковые» колёса меньшего диаметра. Бегунковые колёсаобразуют в плане отдельную тележку и помогают паровозу вписываться в кривые, атакже подготавливают путь к прохождению сцепных колёс.
/>Принципдействия паровоза
Паровоз состоит из трёхосновных частей: котла, паровой машины и экипажной части. Крометого, в состав паровоза включается тендер — специальный вагон, где хранятсязапасы воды и топлива. Если же вода и топливо хранятся на самом паровозе, тотогда его называют танк-паровозом.
Топливо сжигается в топкекотла. Дно топки представляет собой колосниковую решётку, на которой ипроисходит горение. Зола и шлак ссыпаются через решётку в зольник. Топказакреплена внутри котла на связях и полностью покрыта водой, чтобы максимальнополно использовать теплоту сгорания топлива.
Котёл пронизан множествомтруб, называемых дымогарными и жаровыми, окружённых наполняющейкотёл водой, по которым дым из топки проходит через весь котёл, попадает вдымовую коробку и затем выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу.Дымогарные и жаровые трубы являются, таким образом, теплообменником, которыйпередаёт тепло сгоревшего топлива воде в котле.
Вода в котле нагреваетсяи закипает. Образующийся пар собирается в расположенном в верхней части котла сухопарнике,который по своей форме несколько напоминает колокол или купол. В большинствепаровозов пар затем проходит через пароперегреватель.
Из пароперегревателя парчерез трубы поступает в паровую машину. Золотник (золотниковый клапан)направляет пар попеременно в переднюю и заднюю части парового цилиндра,приводя расположенный в цилиндре поршень в возвратно-поступательное движение.Это движение посредством кривошипно-шатунного механизма трансформируется вовращательное и передаётся колёсам паровоза.
Отработанный пар через конусноеустройство (форсовый конус) направляется в дымовую трубу, где таким образомсоздаётся тяга, необходимая для горения топлива в топке.
Следует заметить, чтопроектирование паровозов было очень сложным процессом, во многом выбор основныхпараметров каждого элемента основывался на интуиции инженеров, а не на строгихрасчётах.
/>Топливо.
В основном напаровозах в качестве топлива использовался уголь. В тех районах, где нефть быладоступнее угля, паровозы также эксплуатировались на нефти (мазуте), такжеиспользовались дрова, но в начале 1920-х годов от дров отказались в связи сповышением мощности паровозов, так как теплотворной способности дров уже нехватало. Но в годы разрухи и в период Великой Отечественной войныиспользовались дрова и торф.
/>/>Автоматическая подача топлива.
Когда объёмы топок мощныхпаровозов достигли предела возможности их отопления вручную, возникла насущнаяпотребность в создании механического углеподатчика. Первые попытки созданиямеханического углеподатчика - стокера - были предприняты в СШАв 1889 году, но они оказались неудовлетворительными. После многолетнихисследований мощные паровозы стали оснащаться стокерами двух видов: с верхней инижней подачей топлива. Паровозы с большой площадью колосниковой решёткиоснащались также стокером «Дуплекс» - с двусторонней верхней подачей угляв топку. В СССР стокеры впервые были установлены на паровозах ФД и ИС.
Тендеры некоторых мощныхамериканских паровозов оснащались пушером — механическим устройством,разрыхляющим смёрзшийся уголь и продвигающим его к транспортёру стокера./>
Скорость паровозов
/>
Год
Страна / дорога
Название паровоза
Скорость (км/ч) 1769 Франция / Париж Паромобиль Кюньо 3,5-4 1825 Англия / Стоктон-Дарлингтон Паровоз Стефенсона 24 1830 Англия / Ливерпуль-Манчестер «Ракета» Стефенсона 48 1835 Англия / Ливерпуль-Манчестер Локомотив Sharp & Roberts свыше 100 1890 Франция «Crampton No. 604» 144 1893 США / Нью-Йоркская центральная железная дорога No. 999 181 1935 Франция / Северная 3.1174 174 1935 США / Тихоокеанская железная дорога Класс А Nr. 1 181 1936 Германия / Немецкий Рейхсбан 05 002 200,4 1938 Англия / LNER Класс А4 Nr. 4468 «Mallard» 201,2
Недостатки паровоза
Недостатки паровоза,предопределившие его замену электровозами и тепловозами следующие:
1). Крайне низкий КПД -максимальный до 5-10 %. В настоящее время существуют разработки,позволяющие поднять КПД паровоза до 50-60 %, на то есть практическиепримеры в Швейцарии. Но в данный момент слишком дорого перепрофилироватьпроизводство.
2). Невозможностьиспользования по системе многих единиц (когда один машинист управляетнесколькими сцепленными локомотивами).
3). Тяжёлые условия трудалокомотивной бригады./>
1.2 Дизельная тяга
/>
Дизелевоз — подземный локомотив, оснащенный дизельным двигателем, снабженный специальными катализаторамии фильтрами для очистки выхлопных газов от окиси углерода и токсическихпродуктов сгорания рабочей смеси, предназначенный для рельсовой транспортировкилюдей и грузов в шахтах, а также при строительстве метрополитенов.
/>Основныесведения.
Впервые дизелевозыприменены на горных выработках в начале XX века. Как правило на дизелевозахприменяется четырёхтактный дизельный двигатель с водяным охлаждением.Применяется механическая или (при большой мощности дизелевоза)гидромеханическая коробка передач позволяющая регулировать скорость перемещенияот 3 до 14 км/час.
Дизелевоз состоит израмы, механической части, дизельного двигателя, механической или гидравлическойкоробки передач, системы охлаждения дизеля, устройства для очищения выхлопныхгазов. Запуск дизельного двигателя производится от пневматических илигидравлических пусковых двигателей. Дизельный двигатель работает на дизельномтопливе с пониженным содержанием серы. Производится такая регулировка топливнойаппаратуры при которой происходит полное сгорание дизельного топлива вцилиндрах. Ширина колеи дизелевоза - 750 или 900 мм.
Дизелевозы выгодноотличаются от аккумуляторных электровозов большей мощностью, что позволяетперемешать составы на значительных уклонах.
Несмотря на установленныесистемы очистки выхлопных газов дизелевозы всё равно загрязняют атмосферу шахтыи требуют дополнительной подачи свежего воздуха из расчёта 2 кубометра в минутуна 1 л. с. мощности.
Дизелевозы применяются нашахтах в Великобритании, Бельгии, России («Воркутауголь», «Южкузбассуголь»).
Кроме дизелевозовтрадиционной схемы с опорой колёсных пар на рельсовый путь имеются дизелевозымонорельсовые.
Дизелевозы не следует путатьс тепловозами. Основные отличия: дизелевоз применяется в стеснённых условияхгорных выработок и поэтому жёстко ограничен в габаритах, ввиду использования взамкнутом пространстве на дизелевозе установлена система по очистке выхлопныхгазов.
/>Производителидизелевозов.
CzMT (Чехия)
Александровскиймашиностроительный завод (Пермь).
Дружковскиймашиностроительный завод (Дружковка).
1.3 Газотурбинная тяга
Газотурбово́з — локомотивс газотурбинным двигателем (ГТД). На газотурбовозах практически всегдаиспользуется электрическая передача: газотурбинный двигатель соединён с генератором,а вырабатываемый таким образом ток подаётся на электродвигатели, которые иприводят локомотив в движение.
Первый газотурбовоз былпостроен швейцарской фирмой Броун, Бовери унд компани (Brown, Boveri und Cie) в1941 году.
В СССР работы надсозданием газотурбовоза начались в 1954 году.
Газотурбовоз Г-1.
В 1959 годуна Коломенском заводе был построен единственный экземпляр секциидвухсекционного грузового газотурбовоза Г1-01 (3500 л. с., сэлектрической передачей). На газотурбовозе была применена газотурбиннаяодновальная установка ГТ-3,5 мощностью 3500 л.с. От ГТУ приводилось во вращениедве группы генераторов: первая группа из двух тяговых генераторов МПТ-74/23,вторая группа из тягового генератора МПТ-74/23, возбудителя ВТ-275/120А и вспомогательногогенератора ВГГ-49/14. Каждый тяговый генератор был рассчитан на номинальнуюмощность 733 кВт при частоте вращения 1800 об/мин. Каждый тяговый генераторпитал два параллельно подключенных тяговых электродвигателя ЭДТ-340 мощностьюпо 340 кВт. Газотурбинная установка использовалась только при следовании поднагрузкой. Для маневровых передвижений и следования резервом служила вспомогательнаясиловая установка: дизель 1Д6 и маневровый генератор МПТ-49/16. Основнымнедостатком созданной модели был большой расход топлива и сложностьконструкции.
Газотурбовоз ГП-1.
Затем, там же, былпостроены два пассажирских газотурбовоза ГП-1. На газотурбовозе примененагазотурбинная одновальная установка ГТ-3,5 мощностью 3500 л.с. От ГТУприводилось во вращение три тяговых генератора МПТ-74/23Б. Для маневровыхпередвижений служила вспомогательная силовая установка: дизель 1Д12Барнаульского завода и маневровый генератор МПТ-49/25-3К мощностью 195 кВт.
В начале 1965 годаГП1-0002 испытывался на экспериментальном кольце ВНИИЖТа. В конце 1965 года обалокомотива поступили в депо Льгов. Если газотурбовоз Г1-01 работал с грузовыми поездамиэпизодически, то пассажирские газотурбовозы эксплуатировались регулярно,наравне с приписанными к депо тепловозами ТЭП60, в результате пробег у ГП1-0001и ГП1-0002 оказался в 3-4 раза выше, чем у Г1-01. Газотурбовозы имелинедостатки: большой расход топлива, высокий уровень шума.
/>ГазотурбовозГТ101.
Луганскимтепловозостроительным заводом в 1960 году также был создан газотурбовоз ГТ101-001.
/>Продолжениеработ.
В 1970-х проекты посозданию газотурбовозов были прекращены, так как они не могли конкурировать с электровозами.
В 2007 году по инициативеОАО «РЖД» изготовлен опытный газотурбовоз ГТ1-001 на базе электровоза ВЛ15-008.Турбины изготовлены в Самаре, сборка локомотива осуществлена на Воронежскомтепловозоремонтном заводе имени Ф.Э.Дзержинского.
4 июля 2008 года ГТ1впервые провел грузовой состав. Вес состава был равен 3 тыс. т, а испытаниепроходили на участке «Кинель-Жигулевское море» Куйбышевской железнойдороги.
РЖД приводит следующиехарактеристики испытанной модели: скорость до 100 км/ч, мощность 8300 кВт,одной заправки хватает на 750 км, топливо — сжиженный природный газ.Газотурбовоз был продемонстрирован на выставке «Иннотранс-2008» вБерлине. Предполагается, что он будет использоваться в Сибири, богатой запасамиприродного газа.
/>Преимуществаи недостатки.
Главным преимуществомгазотурбинных двигателей является возможность развивать большую мощность приотносительно небольших размерах и массе. Преимуществом является такжевозможность работы на более дешёвом топливе и существенно меньший расходсмазочного масла.
Недостатком же являетсяповышенный, по сравнению с дизелем, расход топлива, а также резкое снижение КПДпри неполной нагрузке и высокий расход топлива на холостом ходу, что вызываетнеобходимость иметь вспомогательную энергетическую установку на локомотиве.
2. Комбинированный видтяги
2.1 Контактно-аккумуляторнаятяга
Суть данного вида тяги: локомотив(конта́ктно-аккумуля́торный электровоз) снабжается электродвигателями,которые могут питаться как от аккумуляторов, так и от контактной сети. Аккумуляторыподзаряжаются от контактной сети через преобразователи.
В СССР в 1970 г. на Днепропетровскомзаводе была построена опытная партия маневровых контактно-аккумуляторных электровозовпостоянного тока ВЛ26 (10 экземпляров). 6 электровозов работали в Риге, 2 — на Свердловскойжелезной дороге, 2 — на Приднепровской. ВЛ26-002 был переоборудован наДнепропетровском заводе в ВЛ26 м.
Существовал ещё маневровыйэлектровоз Т-01, не сохранившийся до наших дней и эксплуатировавшийся в депоМосква-3.
На данный момент в одномиз депо Москвы эксплуатируется аккумуляторный локомотив ЛАМ-01,переоборудованный из тепловоза серии ЧМЭ3. Такому переоборудованию подвергсявсего один тепловоз.
Контактно-аккумуляторныеэлектровозы используются и в метро для служебных работ в ночное время. Отличиеих от обычных метровагонов состоит в том, что они имеют 2 кабины машиниста, а всалоне стоят аккумуляторы с электрооборудованием. Старые электровозы серий ЭД,ЭКа и некоторые номерные (не получившие серии и сохранившие первоначальныеномера) переоборудовались из пассажирских вагонов А, В4, Д, Е, Еи и Еж3. Болееновые (ВЭКА 81-580.1, 81-581, 81-582) изготавливались сразу на заводе.Раздвижные двери по бокам кузовов есть и у них (но они раздвигаются вручную).
Контактно-аккумуляторныеэлектровозы (серия Л) используются также на линиях секретного метро Д-6, болееизвестного как «Метро-2», в котором на большинстве участков нет контактногорельса (см. Московское метро). В отличие от других метроэлектровозов,раздвижных дверей по бокам кузовов у них нет, а крыша над машинным отделениемотсутствует (есть лишь небольшое арочное перекрытие в середине салона).Максимальная скорость на аккумуляторах — всего 15 км/ч.
В настоящее время электровозы№ 5710, 5712, 0087, 0088 и 0089 эксплуатируются в Метро-2 с пассажирскимивагонами Еж6 по схеме Еж6-Л-Еж6 или Еж6-Л-Л-Еж6, а электровоз 5686 стоитразбитый в депо «Выхино».
Помимо контактноаккумуляторных локомотивов ещё бывают контактно-аккумуляторные электропоезда:Ср3А6, Ср3А6М, Ср3А6МТ (на базе Ср3), ЭР2А6 (на базе ЭР2Б — опытногоэлектропоезда на базе ЭР2) и узкоколейный электропоезд «Турист»,эксплуатирующийся в Новоафонской пещере.
/>
2.2 Дизель-контактнаятяга
При электрификациимагистральных и промышленных железных дорог не всегда экономическицелесообразна и технически выполнима подвеска контактного провода над всемипутями станции, примыкающими к ней ветками и отдельными парками. Подвескаконтактного провода над путями погрузки и выгрузки, а также путями, заходящимив производственные помещения, может привести к затруднениям технологическихпроцессов погрузочно-разгрузочных работ и не позволяет использовать некоторыесредства механизации. Поэтому одновременно с введением электрической тягиобычно на маневровой работе сохранятся автономные локомотивы в виде тепловозови паровозов. Если эти локомотивы загружены полностью, то основным недостаткомсочетания электровозов и автономных локомотивов является необходимостьорганизации ремонта и обслуживания разнородного оборудования, ведущая к повышениюэксплуатационных расходов. Если же работа автономных локомотивов невелика, то кэтому недостатку добавляется низкое их использование. Поэтому в ряде случаевоказывается целесообразным применять на маневровой работе и особенно в условияхэлектрифицированных подъездных путей локомотивы с двумя источниками энергии и,в частности, дизель-контактные локомотивы. Эти локомотивы обычно представляютсобой электровозы, на которых установлены дизель-генераторные агрегаты,приводимые во вращение дизелем. От них питаются тяговые электродвигатели придвижении локомотива по неэлектрифицированным путям. Скорость вращения валадизеля почти не меняется, а скорость локомотива регулируется изменением токавозбуждения генератора путем изменения включенных в цепь пусковых сопротивлений.
Как правило, мощностьдизель-генераторной группы значительно меньше суммарной мощности тяговыхэлектродвигателей и поэтому скорость движения локомотива при движении по неэлектрифицированнымпутям и максимальной силе тяги также меньше, чем при работе локомотива подконтактным проводом.
Примерные характеристикидизель-контактных электровозов:
Максимальная скорость — 40-60 км/ч. При работе от дизель-генераторной установки локомотив развиваетсилу тяги 5000-20000 кГ и скорость соответственно 18-5 км/ч. Мощность приреостатном торможении составляет 3 200 кет. Дизель-электровоз с моторнымидумпкарами рассчитан на работу на линиях с подъемами до 60-70°/оо
Заключение
Развитие видов тягиопределялось ростом объема перевозок на железнодорожном транспорте и связаннымс ним изменением эффективности
каждого вида тяги. Например, железныедороги нашей страны на паровой тяге расходовали до 30% каменного угля.добываемого в стране; перевозка его на базе снабжения паровозов топливомзанимала огромное число вагонов, что существенно снижало показатели работыжелезной дороги. Поэтому не исключено, что в ближайшем будущем будет разработанновый, еще более эффективный вид тяги.
Список литературы
1. Кисляков В.А., Плакс А.В. и др. «Электрическиежелезные дороги», учебник, изд. «Транспорт».
2. Исаев И.П., Фрайфельд А.В. «Беседы обэлектрической железной дороге», изд. «Транспорт».
3. Сидоров Н.И., Сидорова Н.Н… «Какустроен и работает электровоз», изд. «Транспорт».
4. Http//: ru.wikipedia.org.
5. Http//: www.1520mm.ru/locomotives/lok56-65/20.