9. Механическая часть электровозов и расположение оборудования

Осевые формулы электровозов

Электровозы разных серий по устройству ходовой части различаются прежде всего числом колесных пар (числом осей). Первоначально отечественные электровозостроительные заводы выпускали только шестиосные магистральные электровозы, затем шести- и восьмиосные. В настоящее время промышленность поставляет на железные дороги только мощные восьмиосные электровозы переменного, постоянного и постоянно-переменного тока. Для вождения пассажирских поездов Советский Союз получает из Чехословакии шестиосные электровозы постоянного и переменного тока. Эксплуатируются также четырехосные пассажирские электровозы, построенные ранее в ЧССР. Число колесных пар электровоза определяется силой тяги, которую он должен развивать. Применение мощных двигателей, как известно, еще не гарантирует реализацию большой силы тяги. Чтобы создать необходимую силу тяги, следует обеспечить достаточное сцепление колес с рельсами, которое определяется нагрузкой, приходящейся от колес на рельсы. Но с увеличением этой нагрузки увеличивается сила, действующая на рельсы, шпалы, земляное полотно. Для того чтобы путь выдерживал большие усилия, приходится увеличивать сечение рельсов, а следовательно, и их массу, чаще располагать шпалы, что связано с большими капитальными затратами.

На железных дорогах СССР допускаются нагрузки от колеса локомотива на рельсы до 10-12 тс (примерно 100-120 кН). Обычно нагрузку, приходящуюся на рельсы, указывают для двух колес, т. е. нагрузку от колесной пары, или так называемую нагрузку от оси на рельсы. У отечественных электровозов разных серий она составляет от 19 до 23 тс (примерно 190-230 кН). У электровозов некоторых серий нагрузка от оси на рельсы вошла составной частью в обозначение: например, ВЛ19, ВЛ22, ВЛ22^М и ВЛ23. Здесь цифры 19, 22, 23 показывают нагрузку на рельсы от оси в тонна-силах. Нагрузка от оси на рельсы электровозов ВЛ80^К, ВЛ80^Т составляет 23 тс (230 кН), ВЛ8 - 22,5 тс (225 кН), опытных образцов ВЛ11 - 23 тс (230 кН).

Совершенствование железнодорожного пути - применение тяжелых термически обработанных рельсов, железобетонных шпал, бесстыкового пути - позволяет повысить нагрузки от осей на рельсы. В связи с этим часть электровозов ВЛ10 будет выпускаться с нагрузкой от оси 25 тс (250 кН). В настоящее время уже проведены тяговые испытания опытного электровоза ВЛ10^У. Нагрузка 25 тс позволит увеличить расчетную силу тяги электровоза ВЛ10 по сравнению с существующей почти на 9%. Предусмотрена возможность у электровоза ВЛ11 доведения нагрузки до 25 тс на одну ось. Исследуется возможность применения нагрузок 27-30 тс. Перспективные электровозы с повышенной нагрузкой от оси на рельсы будут иметь соответственно большую силу тяги и мощность.

Повышать силу тяги локомотива можно также, увеличивая число колесных пар. Но и здесь существуют определенные ограничения, обусловленные рельсовой колеей. Рельсовая колея, если посмотреть на нее сверху, или, как говорят, "в плане", состоит из прямолинейных отрезков, соединенных плавными кривыми. Для того чтобы колесные пары локомотива могли свободно перемещаться в колее, расположенной на кривом участке пути наименьшего допустимого радиуса, т. е. вписываться в кривую, число их должно быть ограничено. Например, при некотором радиусе криволинейного участка пути четыре колесные пары не вписываются в кривую (рис. 112, а). Здесь колесные пары 2 и 3 не могут коснуться наружного рельса, а гребни их бандажей набегают на внутренний рельс.

Рис. 112. Расположение колесных пар в кривой при жестком закреплении их в раме (а) и при поперечном разбеге (б)

При прохождении электровоза по кривому участку пути колеса набегают на рельс и давят на него. Реакция рельсов вызывает поворот локомотива. В процессе поворота между бандажами колес и рельсами возникают силы трения, которые и создают дополнительное сопротивление движению поезда в кривой. Боковое давление, создаваемое колесными парами электровоза, вписывающегося в кривую, может оказаться столь большим, что произойдет излом рельсов или нарушится их скрепление со шпалами. Значение этого давления зависит от скорости движения электровоза, радиуса кривой, нагрузки от колес на рельсы.

Для обеспечения безопасности движения боковое давление колесных пар на рельсы необходимо по возможности более равномерно распределить между всеми колесами электровоза. Равномерность распределения давления зависит от числа колесных пар, установленных в одной раме тележки локомотива, способа их закрепления в раме, радиуса кривой и дополнительного уширения рельсовой колеи. Если, например, обеспечить возможность осям 2 и 3 перемещаться в поперечном направлении относительно рамы (это перемещение называют поперечным разбегом колесной пары), то в кривой все четыре колеса будут касаться наружного рельса (рис. 112, б). Чем больше число колесных пар в одной раме, тем труднее добиться соприкосновения их всех с наружным рельсом в кривых участках пути. При наименьшем радиусе кривых пути, принятом в СССР, в одной раме удается разместить не более четырех движущих колесных пар.

Радиус кривых сказывается и на физическом коэффициенте сцепления, так как в кривых малого радиуса колеса одной и той же оси проходят разные расстояния. В результате этого они проскальзывают и физический коэффициент сцепления несколько снижается. Кроме того, сила тяги, развиваемая колесной парой, и ее давление на рельсы в кривых изменяются. Эти обстоятельства учитывают, когда определяют расчетный коэффициент сцепления.

Увеличение сцепного веса при сохранении принятой нагрузки от оси на рельсы было достигнуто путем использования нескольких тележек в одном локомотиве. При этом тележки могут быть сочленены (шарнирно связаны) и несочленены. Шестиосные электровозы серий ВЛ19, ВЛ22^М и ВЛ23 имеют две сочлененные трехосные тележки (рис. 113, а); электровоз серии ВЛ8 имеет четыре сочлененные тележки. Сочлененные тележки могут поворачиваться одна относительно другой в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Рис. 113. Схема расположения в кривых сочлененных трехосных (а) и несочлененных двухосных (б) тележек

Сила тяги, развиваемая электровозами с сочлененными тележками, передается составу через их рамы. Поэтому тележки получаются тяжелыми и при больших скоростях движения оказывают сильное воздействие на путь. Чтобы избежать этого, применяют свободные - несочлененные тележки (рис. 113, б), например, на электровозах ВЛ60, ВЛ80, ВЛ82, ВЛ10, ВЛ11 и всех электровозах серий ЧС.

При несочлененных тележках сила тяги передается через раму кузова. Благодаря этому сами тележки получаются более легкими и оказывают меньшее воздействие на путь. Однако при этом усложняется конструкция соединения тележек с рамой кузова.

На некоторых пассажирских электровозах в первый период электровозостроения, как и у паровозов, устанавливали дополнительно так называемые бегунковые колесные пары, не связанные с тяговыми двигателями. Их монтировали в специальных одноосных или двухосных бегунковых тележках. Объяснялось это следующим: во-первых, на заре электровозостроения тяговые двигатели и электрические аппараты были громоздкими, тяжелыми. В результате общий вес электровоза получался настолько большим, что передать его только на движущие оси, не превышая максимальной допустимой нагрузки, было нельзя. Этот избыточный вес и передавали на бегунковые оси. Во-вторых, основываясь на опыте эксплуатации паровозов, считали обязательным на электровозах, рассчитанных на большие скорости движения, по концам устанавливать бегунковые колеса для облегчения вписывания локомотива при входе его в кривые участки пути. Первая причина отпала сама собой, а опыт работы электровозов показал, что при движении их с большими скоростями иметь бегунковые оси необязательно.

Количество движущих и бегунковых колесных пар в локомотиве, их взаимное расположение в тележках выражают в виде осевых формул. Осевые формулы представляют собой сочетание цифр и условных знаков. Первая цифра осевой формулы показывает количество бегунковых осей с одной стороны электровоза. Далее ставится дефис (-) и после него цифра, означающая число движущих колесных пар, находящихся в одной тележке. Если тележек несколько, то после каждой цифры, соответствующей числу осей тележки, ставится знак плюс (+), когда тележки имеют шарнирное сочленение, или минус (-), если тележки не сочленены. Последняя цифра показывает количество бегунковых осей с другой стороны электровоза.

Например, осевая формула отечественных шестиосных электровозов с сочлененными тележками 0-3₀ + 3₀-0, а с несочлененными 0-3₀ - 3₀-0. Осевая формула восьмиосного электровоза с сочлененными тележками 0-2₀ + 2₀ + 2₀ + 2₀-0, а с несочлененными 0-2₀ - 2₀ - 2₀ - 2₀-0. Индекс 0 у цифр, обозначающих число движущих колесных пар, показывает, что каждая из них приводится в движение своим тяговым двигателем (индивидуальный привод). Если знак О отсутствует, это свидетельствует о групповом приводе колесных пар, т. е. имеется один тяговый двигатель, приводящий в движение несколько колесных пар, соединенных спарниками.

За границей в осевых формулах применяют буквенные обозначения. Буква А соответствует одной движущей колесной паре, В - двум, С - трем, Д - четырем и т. д. Например, шестиосный электровоз с двумя сочлененными тележками имел бы следующую осевую формулу О-С₀ + С₀-0, восьмиосный с несочлененными - 0-В₀ - В₀ - В₀ - В₀-0.

Опыт эксплуатации показал, что локомотивы, имеющие несколько тележек, а также четырехосные вагоны, у которых колесные пары размещены в двух тележках, склонны к виляющему движению в прямых участках пути при существующей (с 1860 г.) ширине колеи 1524 мм. Виляющее движение вызывает более быстрый износ рельсов и расстройство пути. Новые виды тяги - электровозы и тепловозы - позволили повысить скорость движения поездов, что способствовало увеличению виляний. Многочисленные опыты убедили, что для устранения виляний необходимо несколько уменьшить ширину колеи, не изменяя предельные размеры колесных пар. Поэтому действующими Правилами технической эксплуатации железных дорог Союза ССР (ПТЭ) ширина колеи между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках пути и на кривых радиусом 350 м и более установлена 1520 мм. Порядок перехода на колею 1520 мм устанавливается МПС. Это позволяет повысить плавность и безопасность движения, уменьшить износ подвижного состава и рельсов.