Тяговые средства железнодорожного транспорта
|
Электровозы и тяговые агрегаты. Возрастающие масштабы производства и увеличение глубины большинства крупных карьеров вызвали необходимость переоснащения железнодорожного транспорта и применения мощных электрифицированных тяговых средств. В связи с этим на вновь строящихся и реконструируемых карьерах большой производственной мощности в последние годы стали использовать тяговые агрегаты переменного и постоянного тока. На основе проведенных в последние годы исследований были установлены наиболее характерные условия применения различных видов современных тяговых средств на карьерах при руководящих уклонах до 40 %о. 1. При объемах перевозки 30—40 млн. т и глубине разработки до 150 M применяют электровозы постоянного и переменного тока сцепным весом 1000—1500 кН. 2. При объемах перевозки 40—70 млн. т и глубине разработки до 250 M — тяговые агрегаты постоянного тока сцепным весом 2400—3600 кН. 3. При объеме перевозки 70—100 млн. т и глубине разработки до 250 M — тяговые агрегаты переменного и постоянного тока сцепным весом 2400—3600 кН. 4. При объемах перевозки 100 млн. т и более и глубине разработки 250—350 M — тяговые агрегаты переменного тока сцепным весом 3600 кН. Таким образом, для карьеров большой глубины наиболее соответствуют мощные тяговые агрегаты переменного тока. Однако на многих предприятиях сравнительно меньшей производственной мощности и глубины в ближайшие годы будут еще применяться работающие на них отечественные и зарубежные электровозы сцепным весом 1000—1500 кН (табл. 23). К их числу относится промышленный электровоз производства Чехии 13Е и его усовершенствованная модификация 21Е. Они работают на постоянном токе при напряжении контактной сети 1650 В. Эти электровозы целесообразно использовать на действующих предприятиях при объемах перевозок 15—25 млн. т в год. Промышленные электровозы постоянного тока EL-1 (шестиосный) и EL-2 (четырехосный) производства ГДР также продолжают эксплуатироваться на наших карьерах. Основное электрическое оборудование и узлы механической части электровозов унифицированы Электрические схемы силовых цепей и цепей управления аналогичны Электровоз EL-1 двухсекционный на трех двухосных сочлененных тележках. Кузов имеет две концевые кабины управления и два коротких скоса. На электровозе установлено шесть тяговых двигателей общей часовой мощностью 2100 кВт. Электровозы ЕL-1 могут работать спаренно, что весьма важно при работе на затяжных подъемах в глубоких карьерах.  Четырехосный электровоз EL-2 имеет одну центральную кабину с двумя постами управления. На нем установлено четыре тяговых двигателя мощностью 1400 кВт. Для их охлаждения наряду с принудительной вентиляцией применима самовентиляция. На отечественных карьерах работают около 300 электровозов EL-1 и EL-2. Опыт многолетней эксплуатации показывает, что наиболее эффективно они работают при объемах перевозок для EL-1 до 30 мин. T и для EL2 — до 15—20 млн. т. Масштабы железнодорожного транспорта, большие пространственные параметры и глубина разработки позволили перейти в крупных карьерах на напряжение в контактной цепи 10 кВ. При этом повышается провозная способность транспортных коммуникаций, увеличиваются весовые нормы поездов, главным образом за счет большего коэффициента сцепления, уменьшаются потери напряжения в сети. Отечественной промышленностью в 1960 г. были выпущены первые промышленные электровозы переменного тока Д-100 и Д-100М. Вслед за ними была создана модель Д-94, отличающаяся от своих предшественников большей мощностью тягового трансформатора и конструкцией рамы кузова.  Часовая мощность электровоза Д-94 составляет 1650 кВт, удельная мощность — 17,5 кВт/ч. Охлаждение двигателей независимое. Основным недостатком электровоза является отсутствие электрического торможения. Малый сцепной вес этих электровозов обусловил необходимость применения на карьерах двойной тяги. Дальнейшее производство электровозов Д-94 было прекращено, так как они не могут работать на больших карьерах, а работать по системе многий единиц нецелесообразно из-за большой массы электровозов, что ведет к снижению грузоподъемности локомотивосостава. Эти электровозы применяются на карьерах глубиной не более 200—250 м с объемами перевозок 25—35 млн. т в год. Развитие открытых горных работ все более убеждало в том, что применяющиеся электровозы не способны обеспечить высокоэффективную работу транспорта при большой производственной мощности карьеров, большой глубине и увеличенных уклонах железнодорожных путей. Это привело к переходу на многих крупных предприятиях на моторвагонную тягу с использованием тяговых агрегатов, которые позволяют не только реализовать необходимое тяговое усилие, за счет собственной массы, но и за счет количества горной массы, находящейся в кузовах моторных думпкаров (рис. 19).  В 1957 г. на Коркинском угольном разрезе был построен и испытан первый образец моторного вагона. С 1966 г. начали поступать из ГДР тяговые агрегаты EL-10 переменного тока, которые до сих пор продолжают работать на ряде наших крупных карьеров (Качканарский, Кальмакырский и др.). Агрегат EL-10 (табл. 23) состоит из четырехосного электровоза управления и двух четырехосных моторных думпкаров. Работает агрегат на переменном напряжении в контактной цепи 10 кВ, с источником автономного питания мощностью 550 кВт, расположенным на локомотиве. Дизель-генераторная установка на локомотиве имеет недостаточную мощность дизеля для движения с необходимыми скоростями по забойным и отвальным путям. Кроме того, размещение установки на электровозе управления значительно ухудшает условия работы локомотивной бригады. Отечественной электровозостроительной промышленностью налажено серийное производство тяговых агрегатов постоянного тока ПЭ-2М и переменного тока ОПЭ-1, ОПЭ-2 и ОПЭ-1А (табл. 24).   Тяговый агрегат ПЭ-2М (рис. 20) является базовой моделью для всех намечающихся к выпуску тяговых агрегатов постоянного тока. Тяговый агрегат состоит из четырехосного электровоза управления и двух четырехосных моторных думпкаров. Кузов электровоза управления имеет кабину машиниста, несколько смещенную вперед. В кабине размещены два поста управления, расположенные с правой стороны по ходу движения. Для улучшения видимости с любого поста управления кабина уширена по отношению к скосам кузова. Тележки электровоза управления и моторных думпкаров унифицированы. Моторные думпкары имеют верхнее расположение цилиндров опрокидывания по торцам кузова. Схемой тягового агрегата предусматривается несколько режимов работы при напряжении в контактной сети 1500 и 3000 В. В том числе последовательное и последовательно-параллельное соединение тяговых двигателей каждой единицы агрегата, электрическое реостатное торможение с самовозбуждением тяговых двигателей и режим медленного хода при последовательно соединенных тяговых двигателях. Кроме того, каждая тяговая единица может работать отдельно при управлении ею с электровоза управления, медленный ход обеспечивается также при отключении одного из моторных думпкаров, наконец, возможна работа тягового агрегата при неисправной одной из тяговых единиц или пары тяговых двигателей электровоза управления. Регулирование скорости ступенчатое. Мощность реостатного тормоза рассчитана на спуск при равномерной скорости по уклону до 60 %. Пневматические тормоза рассчитаны на остановку груженого поезда в пределах нормативного тормозного пути 300 м при скорости движения 25—30 км/ч на уклоне 40 %, а при совместном использовании пневматического и электромагнитного рельсового тормозов — на уклоне 60 %.  На агрегате применен ряд новых систем и устройств, повышающих безопасность движения и способствующих производительной работе и комфортным условиям труда: автостоп и устройство безопасности на случай потери машинистом способности управлять поездом, система дистанционного переключения сигналов на хвосте поезда с контролем обрыва или короткого замыкания в цепях, система дистанционной проверки тормозов, устройство автоматического контроля напряжения в контактной сети, устройство аварийной остановки поезда при сходе с рельсов электровоза или думпкаров, дистанционное устройство разгрузки думпкаров из кабины машиниста и др. Опьгг эксплуатации тяговых агрегатов ПЭ-2М показал, что использование их наиболее рационально в составе электровоза управления и одного моторного думпкара (сцепной вес агрегата 2400 кН) на карьерах с объемами перевозок 40—70 млн. т, а с двумя моторными думпкарами (сцепной вес агрегата 3600 кН) на предприятиях, где объем перевозок достигает 90—100 млн. т. Последнее сочетание единиц в тяговом агрегате соответствует карьерам с глубиной разработки до 300 м и более при уклонах до 60 % С 1969 г. начат выпуск тяговых агрегатов ОПЭ-1 переменного тока промышленной частоты с номинальным напряжением сети 10 кВ. Тяговый агрегат ОПЭ-1 состоит из электровоза, дизельной секции (мощностью 1472 кВт) и одного моторного думпкара. Электровоз управления имеет кузов с концевым расположением кабины машиниста. Для обеспечения питания тяговых двигателей в электровозном режиме на электровозе управления установлен преобразовательный агрегат, состоящий из силового трансформатора, группового переключателя и двух выпрямительных установок, собранных из кремниевых вентилей. Каждая выпрямительная установка питает группу из шести параллельно включенных тяговых двигателей. Дизельная секция может работать как в составе тягового агрегата, так и самостоятельно. Источник автономного питания имеет мощность дизеля 1472 кВт, которая обеспечивает работу тягового агрегата на любых участках передвижных путей с установленными скоростями, при наибольшей массе поезда, определенной по условиям движения на руководящем подъеме 40 ‰ Тяговый агрегат ОПЭ-1 имеет существенные недостатки: неудачное размещение кабины и кузова, большая длина агрегата, затрудняющая круговой обзор и наблюдение при погрузке и разгрузке состава, а также необходимость перехода из кабины в кабину при изменении направления движения. Тяговый агрегат ОПЭ-2 переменного тока (10 кВ) состоит из электровоза управления и двух моторных думпкаров. Он является первым отечественным промышленным агрегатом с плавным тиристорным регулированием в режимах тяги и реостатного торможения. Конструкция механической части, а также устройства и системы, необходимые для работы на карьерных путях, унифицированы с тяговым агрегатом ПЭ-2М. Тяговый агрегат переменного тока ОПЭ-1 А также предназначен для работы в карьерах при напряжении контактной сети 10 кВ. Агрегат состоит из электровоза управления, моторного думпкара и моторной дизельной секции. На моторной секции установлен дизель-генератор 18ДГ с регулируемой мощностью от 883 до 1104 кВт. Управление агрегатом в автономном и контактном режимах осуществляется из электровоза управления. Тяговый агрегат ОПЭ-1А полностью унифицирован с тяговым агрегатом ОПЭ-2, а их моторные думпкары одинаковы и взаимозаменяемы, отличие состоит только в том, что ОПЭ-1А имеет моторную секцию. Недостатком устройств ОПЭ-1А является наличие слабых ударносцепных устройств. Наряду с серийно выпускаемыми тремя типами тяговых агрегатов: агрегатом постоянного тока ПЭ-2М и агрегатами переменного тока ОПЭ-2 и ОПЭ-1А, созданы еще два типа тяговых агрегатов: переменного тока ОПЭ-1Б и постоянного тока ПЭ-ЗТ, наиболее отвечающие требованиям современных крупных и глубоких карьеров (табл. 25). Все тяговые агрегаты выпускаются в трехсекционном, двенадцатиосном исполнении, но по специальному заказу могут поставляться в двух- или односекционном исполнении соответственно с восьмью и четырьмя движущими осями.   Тяговые характеристики агрегатов ОПЭ-1Б, ОПЭ-1А показаны на рис. 21. Агрегат состоит из электровоза управления, моторной дизельной секции и моторного думпкара. Он оборудован двумя центральными и двумя боковыми токоприемниками. Регулирование напряжения при тяге и реостатном торможении плавное. Регулятор напряжения состоит из тягового трансформатора, главного контролера, блоков полупроводниковых выпрямителей и сглаживающих дросселей. Тяговый трансформатор преобразует напряжение питания 10 кВ в регулируемое четырьмя ступенями напряжение тяговой цепи 450—1900 В. Блок полупроводниковых выпрямителей преобразует переменный ток в постоянный и плавно регулирует напряжение путем изменения угла открытого состояния тиристоров. Внедрение плавного регулирования напряжения на зажимах тяговых двигателей позволило на 10—15 % увеличить устойчиво реализуемую силу тяги, а следовательно, и массу поезда по сравнению с тяговыми агрегатами ОПЭ-1 и EL-10, имеющими ступенчатое регулирование напряжения. В отличие от тягового агрегата 0ПЭ-1А на моторной дизельной секции агрегата установлен дизель-генератор 2-26ДГ, состоящий из дизеля 1-2Д49 мощностью 1472 кВт и синхронного шестифазного тягового генератора ГС-615 мощностью 1310 кВт. Для выпрямления переменного тока генератора применен шестифазный неуправляемый кремниевый выпрямитель. Напряжение постоянного тока регулируется от 120 до 750 В изменением частоты вращения дизеля и тока возбуждения тягового генератора. Применение более мощного дизель-генератора и вентиляции электрооборудования как в контактном, так и в автономном режимах позволяет увеличить допустимый подъем неэлектрифицированных железнодорожных путей на 20—26 % и использовать тяговые агрегаты ОПЭ-1 Б для вывозки горной массы из карьеров глубиной до 300—350 м. На базе механической части тягового агрегата ПЭ-2М в последнее время создан тяговый агрегат ПЭЗТ. Тяговый агрегат ПЭЗТ постоянного тока напряжением 3000 и 1500 В, состоит из электровоза управления, моторной дизельной секции и моторного думпкара. Моторная дизельная секция и моторный думпкар агрегатов ПЭЗТ и ОПЭ-1 Б одинаковые. На тяговом агрегате ПЭЗТ впервые в практике электровозостроения применено плавное тиристорно-импульсное регулирование напряжения при постоянном параллельном соединении тяговых двигателей, что позволяет увеличить устойчиво реализуемую силу тяги на 20—25 % по сравнению с тяговым агрегатом ПЭ-2М, имеющим ступенчатое контакторно-реостатное регулирование напряжения и последовательно-параллельное соединение тяговых двигателей. Схема реостатного торможения агрегата аналогична схеме тягового агрегата переменного тока. При работе тягового агрегата от контактной сети напряжением 1500 В производится переключение коммутирующих конденсаторов с попарно-последовательного соединения на параллельное. При этом сила тяги агрегата сохраняется, а скорость движения снижается на 30 %. Схема и электрооборудование вспомогательных машин агрегата ПЭЗТ аналогичны схеме и электрооборудованию тягового агрегата ПЭ-2М. Исследования применения линейных двигателей на локомотивах, проводимые в России и за рубежом, показали, что при определенном конструктивном исполнении можно получить при бесконтактном электромагнитном воздействии элементов линейного двигателя, расположенных на подвижном составе и уложенных в путь, тяговое усилие до 40—50 кН. Это позволяет транспортировать горную массу из карьеров при подъемах пути капитальных траншей до 250—300 %. При этом исключаются силы сцепления при создании силы тяги и торможения, увеличиваются сила тяги и мощность привода, отсутствуют механические передачи и вращающиеся части, уменьшается износ рельсов и колес, возможно питание от стационарных электрических сетей, достигается бесшумность и безопасность работы. На основе исследований были предложены два варианта тяговых средств с линейными двигателями: моторвагонный поезд МВЭП. состоящий из пяти-семи восьмиосных думпкаров грузоподъемностью 140 т и локомотива управления с источником автономного питания мощностью 1472—2208 кВт, и конвейерный железнодорожный электропоезд КЭП (см. табл. 25), состоящий из сочлененных вагонов, разгружающихся на специальные эстакады. Для глубоких карьеров наиболее приемлемы моторные поезда, которые предназначаются для вывозки горной массы из карьеров производственной мощностью свыше 80—100 млн. т в год. Тяга линейными двигателями осуществляется только по капитальной траншее, на остальных участках пути — локомотивом. Преодолеваемые участки в траншеях могут достигать 200 — 220 ‰. В практике открытых горных работ за рубежом не применяются крупные электрифицированные средства тяги. В настоящее время основными странами производителями тяговых средств, являются США (фирма ’’Дженерал Моторе”, ’’Дженерал Электрик”) , ФРГ (фирмы ”Крупп”, ”Хеншель”, ”Макк”), Япония (фирмы ”Хитачи”, ”Мицубиси”). В карьерах за рубежом в качестве тяговых средств применяют электровозы, дизель-электровозы, тепловозы и самоходные вагоны. В последнее время используется преимущественно электрическая тяга, позволяющая использовать железнодорожный транспорт на более глубоких горизонтах, чем при тепловозной тяге, что объясняется возможностью преодоления электровозами больших руководящих уклонов в выездных траншеях карьеров. Кроме того, электрическая тяга более экономична и особенно предпочтительна в условиях острого энергетического кризиса. На карьерах США применяются в основном электровозы постоянного тока, реже переменного тока со сцепным весом 860—1250 кН с нагрузкой на ось 312 кН, работающие с четырехосными вагонами с нагрузкой на ось 320—350 кН. В последнее время наблюдается увеличение числа дизель-электрических локомотивов со сцепным весом 1250 кН. Мощность дизель-генераторной установки составляет 25—40 % мощности электровоза. Карьерные электровозы оборудуются тяговыми двигателями часовой мощностью до 590—660 кВт. Карьерныe локомотивы имеют два, четыре и шесть осей. Среди тяговых средств, используемых за рубежом, интересны самоходные моторные вагоны грузоподъемностью до 160 т с электрическим или дизельным приводом. В ФРГ эксплуатируются самоходные вагоны с дизельным приводом грузоподъемностью 80 т, вместимостью кузова 35 м3, массой 50 т. В США самоходные моторные вагоны на постоянном токе имеют грузоподъемность до 120 т. В последние годы особое внимание на карьерном железнодорожном транспорте уделяется введению новых принципов и методов организации работы, средств вычислительной техники, управляющих машин, систем телеуправления и автоматизации. Полная автоматизация, дистанционное управление, счетно-решающие устройства для опознания вагонов, улавливающие устройства для регулирования скорости вагонов, автоматические весы для взвешивания вагонов на ходу и группировках их в составы — далеко не полный перечень нововведений на карьерном железнодорожном транспорте. На карьерах США, Канады автоматизирована значительная часть операций: загрузка, взвешивание и разгрузка вагонов, отбор проб руды, маркировка и считывание номеров вагонов, оформление путевых документов и др. Дистанционное управление движением поездов осуществляется по радио, по кабелям системой фотоэлементов, а также аппаратурой ’’Автомашинист’’) установленной на локомотивах. Все больше применяются радиоуправляемые локомотивы, работающие в зоне прямой видимости оператора, управляющего их перемещением. На основе известных уравнений движения и их преобразований масса прицепной части поезда  где 1/є = (1 + γ) — коэффициент, характеризующий удельную силу, расходуемую для разгона вагона; g — ускорение свободного падения, м/с2; wлок, wп — удельное сопротивление движению соответственно локомотива, поезда, Н/т; а — ускорение, м/с2; i — уклон трассы, ‰. В карьерных условиях при небольших скоростях движения wлок = wп = w. Значения 1/є, а и w могут принимать следующие значения:  Масса тяговых агрегатов в зависимости от числа секций в агрегате принимается: при двух секциях 240—250 т; при трех секциях 360—372 т. Минимальные весовые нормы прицепной части поезда (в т) для тяговых агрегатов приведены в табл. 26. В благоприятных условиях они могут быть увеличены на 12—15 %.  |
