РАЗРАБОТКА

Увеличение энергетических мощностей во всем мире послужили основой для массовой электрификации железных дорог, а необходимость водить как пассажирские, так и тяжеловесные составы с большими скоростями в свою очередь потребовало использования новых более мощных и скоростных электровозов. В середине 50-х годов двумя французскими электровозами - СС7107 и ВВ9004 - был установлен рекорд скорости в 331 км/ч. Весь мир приступил к проектированию новых локомотивов.

На первых электровозах долгое время господствовал принцип "мотор - колеса". При этом минимизируется трансмиссия от двигателя до движителя (колес), что удешевляет проектирование привода, упрощает его конструкцию, облегчает обслуживание. Именно так спроектированы все моторные вагоны метро и электричек. Для оптимизации нагрузки по осям приходилось иметь столько двигателей, сколько пар приводных колес у электровоза, при этом мощность мотора определяется его размерами, которые лимитированы диаметром колеса локомотива. Кроме того, все толчки и удары от неровности пути непосредственно передаются на сильно нагруженные двигатели.

Переход на одномоторный привод в локомотивах, по сути, - возврат на уровне электрической тяги к принципу единого привода на несколько пар колес, применявшегося на всех паровозах. В последних общий шатун объединял ведущие колеса (от двух до четырех пар), вследствие чего они работали синхронно. Движители, выполненные с единым приводом, наиболее компактны, у них лучшая динамика, они не боятся толчков и ударов, поскольку все одинаково подрессорены и лучше сохраняют полотно: оси не пробуксовывают. На электровозах такой ("паровозный") принцип долгое время был неосуществим, поскольку отсутствовали компактные и мощные электродвигатели и тяговые редукторы, с помощью которых можно было бы передать на колеса всю потребную энергию.

Одномоторная двухосная тележка разработки ВНИИЭМ на испытательном стенде

Расчеты подтверждали эффективность применения одного тягового электродвигателя с приводом на две или три оси. При этом возможно опорно-рамное подвешивание привода, что снижает динамическое воздействие на путь, улучшает коммутацию электродвигателя и облегчает работу зубчатой трансмиссии. Уменьшение на 10:12 % массы общего тягового электродвигателя по сравнению с двумя двигателями половинной мощности снижает общую массу и стоимость локомотива (при установке двигателя на три оси эффект еще больше, хотя передача оказывается сложнее). Уменьшается количество вентиляторов тяговых двигателей и вспомогательных агрегатов: линейных контакторов, реверсов, тормозных переключателей и др. Сокращение длины кабельной проводки уменьшает затраты меди. Снижение осевых нагрузок на рельсы при использовании одного тягового электродвигателя на несколько колесных пар уменьшает износ рельсов. Улучшается использование сцепного веса локомотива, вследствие чего нагрузка от оси на рельсы может быть снижена при той же величине тягового усилия. Коэффициент сцепления колес с рельсами повышается в среднем на 20 % (при трогании с места с 0,35:0,4 до 0,45; при движении со скоростью 50:55 км/ч - c 0,2 до 0,3).

При индивидуальном приводе внешний диаметр тягового электродвигателя зависит от диаметра круга катания движущих колес, чего нет в одномоторной тележке, поскольку тяговый электродвигатель, являющийся самым тяжелым узлом, располагается в центре блока колес. Этим достигается идеальная компоновка массы тележки относительно ее вертикальной оси, и при этом мощность тягового двигателя не ограничивается габаритами ходовых частей. Однодвигательный привод для двух или трех осей дает возможность достаточно простым способом изменять передаточное число зубчатого редуктора, обеспечивая универсальность использования таких локомотивов для пассажирской и грузовой службы. Между двигателем и редуктором может устанавливаться переключающее устройство, как, например, на французских электровозах серии ВВ16500. Это делает локомотивы универсальными и в итоге приводит к сокращению их парка.

В одномоторных тележках, где тяговый электродвигатель занимает центральное положение, компоновка основных узлов решается в комплексе с тяговым электродвигателем. В свою очередь, конструкция электродвигателя должна соответствовать конструктивным решениям узлов тележки: рамы, опор кузова, систем подвешивания и передачи тягового усилия. Особенно важной и необходимой является взаимосвязь конструкции тягового электродвигателя с конструкцией редуктора и привода движущих осей, так как она определяет принятую схему раздачи мощности от вала тягового электродвигателя к осям колесных пар, систему опоры тягового электродвигателя в тележке, условия зацепления шестерни с зубчатыми колесами, систему угловой скорости вращающихся масс. От удачного комплексного решения узла "тяговый двигатель - привод" зависит надежность работы тележки в целом, так как он является наиболее напряженным и уязвимым.

Здесь показана на испытательном стенде одномоторная двухосная тележка ВНИИЭМ, которая разрабатывалась для отечественного пассажирского магистрального электровоза переменного тока ВЛ40, фотографию которого также приводим.

Главное отличие одномоторной тележки конструкции ВНИИЭМ заключается в выделении тягового электродвигателя, редуктора и привода в отдельный от рамы тележки блок. Блочность конструкции позволяет упростить технологию изготовления редуктора и рамы тележки и улучшить работу зубчатой передачи и коммутацию тягового электродвигателя. Автором настоящей статьи под руководством и при консультационной поддержке доктора технических наук проф. МГТУ им. Н.Э. Баумана Л.Н. Решетова были выполнены расчеты по выбору параметров прочности и динамике тягового зубчатого редуктора одномоторного привода, в том числе расчет геометрических параметров односторонней зубчатой передачи. Шарнирно-карданная муфта привода имеет съемные снаружи резинометаллические блоки, играющие роль амортизаторов, а подшипники ведомого зубчатого колеса не воспринимают осевых усилий. При эксплуатации уменьшается влияние динамических сил на зубчатую передачу и тяговый электродвигатель, поскольку он разгружен от действия тормозных и тяговых сил. Главная цель, которая достигается посредством этого обособления - повышение надежности работы тягового электродвигателя и зубчатой передачи. Кроме того, создается возможность регулирования радиального зазора между осью колесной пары и полым валом привода независимо от первичного рессорного подвешивания тележки.

Для одномоторного привода двухосных тележек электровоза ВЛ40 ВНИИЭМ впервые в стране разработал и изготовил мощные тяговые электродвигатели пульсирующего тока ЭТ-1600. Анализ показал, что двигатель мощностью 1600 кВт целесообразно выполнить 8-полюсным с напряжением на коллекторе 950 В. Сравнение вариантов показало, что для двигателя пульсирующего тока целесообразно принять исполнение без компенсационной обмотки, так как последняя значительно уменьшает индуктивность двигателя и требует увеличения продуктивности сглаживающего реактора. Тяговый электродвигатель ЭТ-1600 был выполнен на уровне лучших зарубежных образцов.

После проведения испытаний на катковом стенде работа завершилась успешными ходовыми испытаниями электровоза ВЛ40 с одномоторными тележками конструкции ВНИИЭМ и электродвигателями ЭТ-1600 при скорости до 160 км/ч. Испытания проводились на опытном скоростном испытательном участке МПС Белореченская - Майкоп, характерном как протяженными прямыми участками, так и крутыми подъемами и спусками. По результатам исследований была дана рекомендация по запуску в серию пассажирских электровозов с таким оснащением.

В создании конструкций мощного тягового электродвигателя пульсирующего тока ЭТ-1600 и тележек с одномоторным приводом движущих осей для скоростных магистральных электровозов активное участие принимали сотрудники тяговой лаборатории ВНИИЭМ: Е.С. Аватков, В.С. Владимиров, В.С. Волобуев, Э.Г. Головашкина, Ю.М. Косой, Ю.А. Мазнин, Ю.А. Шибаев, Н.В. Родионов, А.А. Шацилло, А.В. Андреев и др.

Пассажирский магистральный электровоз переменного тока ВЛ40

К сожалению, развития в нашей стране такая система не получила. На высоком уровне было принято политическое решение приостановить в СССР на неопределенное время дальнейшие работы в области создания скоростных пассажирских электровозов, в том числе и с одномоторными тележками. Доводку и серийное производство такой техники, а также поставку для советских железных дорог пассажирских локомотивов решено было осуществлять из ЧССР.

Пролетели десятилетия, а в России (в отличие ото всего мира) оборудование по одномоторному приводу так и не производится. Мы, обогнавшие в свое время всех мировых разработчиков по уровню доведенной до промышленного образца конструкции, вынуждены теперь либо довольствоваться тем, что было произведено и закуплено до середины 80-х годов, либо втридорога приобретать то, что имеется на мировом рынке. Однако, смею надеяться, что жизнь неминуемо заставит нас идти по магистральному пути, который мы уже начали преодолевать во ВНИИЭМ, и рано или поздно вновь заняться конструированием и выпуском современных тяговых систем. Уверен, впрочем, что наши наработки еще будут востребованы.