Скоростные поезда

Локомотивы и моторвагонные поезда

Высокоскоростное движение предъявляет к конструкции локомотивов весьма серьезные требования. Прежде всего это должны быть очень мощные машины. Для того, чтобы преодолеть одно лишь сопротивление движению при скорости в 225 км/ч, нужна мощность примерно в 3 раза, а при 300 км/ч в 7 раз большая, чем при скорости 160 км/ч. Современные скоростные электровозы и тепловозы являются весьма могучими машинами. Французский электровоз СС40100, который может развивать до 240 км/ч, имеет длительную мощность 3670 квт (5020 л. с.); шесть тяговых двигателей западногерманского электровоза ЕОЗ имеют при 200 км/ч общую часовую мощность 6420 квт, советский двухсекционный тепловоз 2ТЗП60, предназначенный для вождения пассажирских поездов со скоростью 160 км/ч, имеет общую мощность дизелей 6000 л. с. Часовая мощность электровоза ЧС2, который водит пассажирские поезда на отечественных дорогах, составляет 4200 квт (5580 л. с.).

Такие высокие показатели нужны для развития не только больших скоростей, но и больших ускорений. Новая Токайдо, пожалуй, пока что единственный пример дороги, специально построенной для скоростного движения и уже эксплуатирующейся, на остальных скоростное движение приходится сочетать с обычным. Поэтому способность создать большое ускорение тоже очень важна. Электровоз ЕОЗ в течение 10 мин может развить мощность, превышающую 9000 квт, а в течение пятиминутного разгона — даже 12500 квт. С составом в 300 т этот электровоз за 3 мин развивает скорость от нуля до 200 км/ч.

Благодаря чему достигается столь высокая мощность? Различных достижений в области конструирования двигателей много. Одно из наиболее интересных — новый электроизоляционный материал эмаль. Применение эмалированного провода во французских тепловозах при тех же параметрах изоляции снижает ее толщину в 2 раза. Эмаль МЛ выдерживает температуру до 280°, обладает большой упругостью и механической прочностью. Применение ее позволило поднять мощность двигателей электровозов серии СС40100 на 20 %. Специалисты считают, что так как эмаль МЛ позволяет резко уменьшить вес и габариты тяговых двигателей и генератора переменного тока, можно будет создать в недалеком будущем тепловозы мощностью 6000–8000 л. с. в одной секции.

Мощность дизельного двигателя повышается, когда увеличивается скорость вращения коленчатого вала. Быстроходные дизели (до 1500 об/мин для тепловозов) используются сейчас очень широко. Другой путь — применение турбонаддува. Выхлопные тазы вращают вал турбины, которая гонит в цилиндры двигателя избыточный воздух. Благодаря этому увеличивается количество топлива, сжигаемого в камере сгорания, и мощность повышается. Эти методы применялись и до скоростного движения и даже в других областях техники, где используется дизель, но именно здесь они оказались весьма нужными. Для повышения мощности широко используется такой сравнительно простой способ, как соединение нескольких секций, например в тепловозах 2ТЭП60, 2ТЭ40 и др.

Для скоростных локомотивов очень важен минимальный вес неподрессоренных частей, чтобы вертикальные и горизонтальные колебания были как можно меньшими. Этого удалось достичь опять-таки благодаря применению целого ряда конструктивных усовершенствований. Наиболее интересным из них является одномоторная тележка. Она широко используется во французских скоростных локомотивах, причем в целях унификации как для электровозов, так и для тепловозов. В старых конструкциях применялись двухосные тележки, и каждую ось приводил в движение свой двигатель. В скоростном электровозе СС40100 кузов опирается на две трехосные тележки. Каждая из них имеет только один электродвигатель, который через редуктор и зубчатые венцы приводит в действие все три оси. Преимуществ у такой конструкции очень много.

Один мотор весит значительно меньше двух той же мощности. К тому же облегчается рама. Следовательно, одномоторная тележка примерно на 20 % легче многомоторной (для электровоза СС40100 абсолютный выигрыш в весе составил около 11,4 т.).

Масса не рассредоточена, а сконцентрирована в середине тележки. Это снизило ее момент инерции, а в итоге уменьшились боковые колебания и воздействие на путь. Улучшились сцепные качества, потому что вероятность проскальзывания двух или трех связанных вместе осей меньше, чем у осей с индивидуальным приводом. Наконец, редуктор, которым оснащена тележка, позволяет быстро изменять передаточное отношение и таким образом приспосабливать локомотив и к грузовой и к пассажирской работе. Во Франции часты случаи, когда локомотив в одну сторону ведет грузовой, а в другую пассажирский состав.

В одномоторной тележке двигатель благодаря меньшему весу опирается только на раму, а не на оси, как было в старых конструкциях. Вес неподрессоренных частей — резко снижается, а это совершенно необходимое условие для движения со скоростями свыше 120 км/ч.

Очень большое значение имеет конструкция рессорного подвешивания и гасителей колебаний. При колебаниях возникают ускорения, они вызывают силы, вредно действующие на путь и на сам локомотив. Новым в конструкции рессорного подвешивания является то, что листовые рессоры заменяются в новейших локомотивах пружинными, которые обеспечивают подвижность тележек. Это уменьшает толчки при трогании с места, и нагрузка на путь остается в обычных пределах. Для поглощения вертикальных колебаний кузова между ним и тележкой ставят резино-металлические амортизаторы.

Еще один достаточно серьезный вопрос: как снимать с проводов ток? Исследования показали, что чем больше скорость, тем большее давление оказывает токоприемник на провод. Это происходит потому, что увеличиваются аэродинамические и инерционные силы. А иногда по тем же причинам происходит обратное явление: полоз отрывается от провода. Выход из такого положения — делать подвеску провода более гибкой, чтобы она чутко реагировала на все колебания токосъемника, а пантограф более эластичным, пружинящим (на линии Новая Токайдо между проводом и тросом расположены вибрационные гасители колебаний: воздушные цилиндры со спиральной пружиной внутри.

Конечно, создание мощных тепловозов — задача очень важная. Однако все чаще взоры конструкторов обращаются к другому виду транспорта — авиации. Газотурбинный двигатель, изменивший облик авиации, должен спуститься на землю, чтобы занять подобающее место в рельсовом транспорте.

Чем же плох дизель? Во-первых, громоздкостью. У него сложная система охлаждения, сложный механизм передачи. Поэтому количество мест в головном вагоне дизель-поезда составляет всего 55–60 % от количества мест в прицепном вагоне. И чем двигатель мощней, тем больше он «съедает» площади. А газовая турбина значительно меньше по размерам и весу. Турбопоезд, состоящий из такого же количества вагонов, что и дизель-поезд, вместит в 1,15-1,2 раза больше пассажиров.

Эксплуатационники знают, что обслуживание дизельного двигателя — задача очень непростая. На обычную профилактику уходит всего в 2 раза меньше времени, чем на полный его ремонт. Дело в том, что демонтировать дизель, выкатить тележку с ним, подняв предварительно вагон — работа небыстрая. А иначе при многих видах обслуживания нельзя.

Газотурбинный двигатель имеет в 15–20 раз меньше соединений с кузовом, чем поршневой, и снимать его при обслуживании не требуется, а если вдруг окажется нужным, можно сделать это за час или два. Меньше поездов на профилактике — значит больше на линии. Чтобы осуществить один и тот же объем перевозок, потребуется в 1,15-1,2 раза меньше турбопоездов, нежели дизельных.

Правда, газотурбинный двигатель пока потребляет больше топлива, но зато он может работать на низких сортах. Газотурбинный двигатель имеет иные тяговые характеристики, нежели дизель — поэтому с его применением ненужными становятся ни электрическая постоянного тока, ни гидравлическая передачи к ведущим колесам, а вполне можно обойтись обычной механической. В итоге при существующих типах локомотивных двигателей газовая турбина является наиболее подходящей для высоких скоростей. При скорости 150–200 км/ч потребность в мощности, необходимой для передвижения собственно локомотива, резко увеличивается, поэтому легкая и мощная машина — газотурбовоз с механической передачей — приходится для таких случаев как нельзя более кстати.

Есть и сложности. Газотурбинная установка на локомотиве имеет более низкий к. п. д., чем дизель: ограниченная жаростойкость турбинных лопаток вынуждает лимитировать температуру газов. Увеличивается расход топлива при неполной загрузке. На самолете турбина работает с полной нагрузкой и при низкой температуре окружающего воздуха (минус 40–50 °C). Локомотив же работает с переменной нагрузкой и при температуре от минус 50 до плюс 40 °C. Тем не менее во многих странах мира усиленно работают под использованием газовой турбины на железной дороге. Это особенно относится к турбопоездам. По подсчетам специалистов моторвагонный состав, оборудованный серийно выпускаемой в нашей стране авиационной газовой турбиной мощностью 2550 л. с. и весом 600 кг, сможет развивать скорость до 200 км/ч. Над проектом турбопоезда работает Рижский вагоностроительный завод.

Во Франции испытывался недавно экспериментальный двухвагонный турбопоезд. На железнодорожном участке возле Орлеана он показал скорость, равную 231,8 км/ч. Основой его конструкции явился обычный серийный французский дизель-поезд тоже из двух вагонов — моторного и прицепного. В испытаниях определяли тяговые свойства газотурбинного двигателя при разных скоростях движения, аэродинамику, всасывание и выпуск воздуха на высоких скоростях, работу механической передачи, стабильность хода и многое другое. Преимущества в весе турбопоезда по сравнению с дизель-поездом бесспорны. Двухвальный двигатель и простейшая механическая передача весят только 1,2 т по сравнению с 10,5 т веса дизеля со ступенчатым редуктором. Итог — вдвое сниженные нагрузки от оси на рельсы. Авиационный серийный двигатель мощностью около 1500 л. с. размещен под полом прицепного вагона в звукоизолированном отсеке.

Англичане пока еще турбопоезда не построили, зато разработали его проект, но уже из восьми вагонов. Два двигателя мощностью по 1500 л. с. должны обеспечить движение поезда весом 250 т со скоростью до 250 км/ч.