Сергей Мусский - 100 великих чудес техники

Электровоз ВЛ85

Вплоть до начала XIX века уголь и руду с шахт и рудников вывозили по чугунным рельсам. Груженые и порожние вагоны передвигались лошадьми. Первыми локомотивами были паровозы. Первый паровоз, двигавшийся по рельсам, был построен англичанином Р. Тревитиком в 1803 году для одного из рельсовых путей в шахте. Вслед за ним построили паровозы и другие изобретатели, но широкого практического применения эти паровозы не получили. Наиболее удачным оказался паровоз Дж Стефенсона, построенный в 1814 году. В 1829 году паровоз Стефенсона «Ракета» победил паровозы других конструкторов на состязании в Ренхилле, целью которых было выбрать наилучшую конструкцию паровоза для железной дороги Ливерпуль – Манчестер. Дж. Стефенсон стал родоначальником железнодорожного транспорта. В XX столетии паровозы строились во многих странах. В России первый паровоз был построен в 1834 году отцом и сыном Е.А. и М.Е. Черепановыми.

Первый электровоз был построен в середине 1890-х годов в США. То был электровоз постоянного тока, получавший энергию от тяговых подстанций.

В СССР первая электрифицированная железнодорожная линия с моторвагонными электропоездами появилась в 1926 году, первые электровозы – в 1933 году.

Со временем электрическая и тепловозная тяга вытеснила паровую почти со всех многочисленных магистралей нашей страны.

Железная дорога получает электроэнергию с крупных электростанций. Трехфазный ток высокого напряжения с них поступает на подстанции и там преобразуется в ток, нужный для тяги.

В первые годы электрификации пригородных участков железных дорог СССР с тяговых подстанций подавался постоянный ток напряжением 1500 В в медный контактный провод, подвешенный над рельсовым путем, а на первых магистральных участках применялся постоянный ток напряжением 3000 В. В 1960—1970-е годы стали на вновь электрифицируемых железных дорогах применять переменный однофазный ток частотой 50 Гц повышенного напряжения (25 кВ). Это дало возможность строить тяговые подстанции не через 20-30 километров, как при постоянном токе, а через 60-70 километров, то есть уменьшить вдвое-втрое их число, а подстанции делать более простыми и дешевыми. Повышенное напряжение позволяет уменьшить сечение контактного провода, требующего много меди. Это удешевляет контактную сеть.

На крыше электровоза укреплены токоприемники – пантографы, которые прижимаются к контактному проводу и передают электрический ток к тяговым двигателям электровоза.

Двигатели расположены под кузовом электровоза на каждой его оси. Первые отечественные электровозы имели 6 осей, размещенных в 2 трехосных тележках, значит, и 6 двигателей. Позднее стали выпускаться электровозы более мощные, с 8 осями в 4 двухосных тележках и с двигателями. Каждый двигатель с помощью системы зубчатых передач вращает «свою» колесную пару и тем самым приводит электровоз в движение. Ток, пройдя через пантограф к тяговым двигателям и совершив в них работу, уходит частью в рельсы, служащие вторым проводом, и затем через отсасывающие провода возвращается на тяговую подстанцию.

Большое достоинство электровоза – экономичность. Во время движения под уклон его двигатели работают как генераторы электрического тока, который поступает обратно в сеть. Такой режим называется рекуперационным (от латинского слова «recuperatio» – «обратное получение») торможением. Коэффициент полезного действия электровоза при этом достигает 88-90 процентов.

Кузов электровоза похож на вагон. На обоих его концах находятся кабины управления. Это позволяет электровозу двигаться в любом направлении – машинист должен лишь перейти из одной кабины в другую. У восьмиосных электровозов два кузова, соединенных друг с другом закрытым переходом. В кузове электровоза размещена электрическая аппаратура – ящики сопротивлений, контакторы, переключатели, а также всякого рода вспомогательные машины – мотор-генераторы, компрессоры, вентиляторы и т п.

Сейчас в России эксплуатируются электровозы переменного однофазного тока (питающее напряжение – 25 кВ и частота – 50 Гц), а также постоянного тока (напряжение – 3 кВ). Это мощные грузовые локомотивы отечественного производства серии ВЛ и чехословацкие пассажирские серии ЧС. Пассажирский электровоз серии ЧС4 мощностью 5100 кВт развивает скорость до 160 километров в час, а электровоз серии ВЛ85 мощностью 10020 кВт – до 110 километров в час.

ВЛ85 – мощнейший в мире локомотив на электротяге. Своему рождению он обязан БАМу. Для ее успешной эксплуатации Байкало-Амурской магистрали потребовался мощный надежный электровоз. Специалисты предложили несколько вариантов новых грузовых электровозов переменного тока.

Вот что пишет Олег Курихин в журнале «Техника – молодежи»:

«Одни предлагали выпускать только четырехосные секции и из них, в зависимости от веса поездов и профиля пути, составлять 8-, 12– и 16-осные локомотивы. На Новочеркасском электровозостроительном заводе освоили производство 2-секционного ВЛ80, к которому было можно прицеплять еще одну-две такие же машины. Вот только не всегда удавалось оптимально сочетать вес состава и локомотива, а иногда из-за избыточной мощности последнего возрастала стоимость перевозок.

По мнению других, помимо этих электровозов, следовало делать и 6-осные секции с двухосными тележками. Тогда, при однотипных тяговых электродвигателях, редукторах и системах управления, можно было бы составлять 8-, 10-, 12-, 14-, 16– и 18-осные машины, приноравливая их к конкретным условиям.

В обоих случаях секции замышлялись однокабинными, хотя некоторые специалисты стояли за 4– и 6-осные двухкабинные. И все же в итоге усилия сосредоточили на 12-осном локомотиве для тяжелых грузовых поездов и дорог с трудным профилем».

Теоретические исследования столь новой для отечественной практики ходовой части электровоза велись в Научно-исследовательском проектно-конструкторском и технологическом институте электровозостроения (ВЭлНИИ) и Ростовском-на-Дону институте инженеров железнодорожного транспорта (РИИЖТ). В результате решили проектировать 12-осный электровоз, у которого каждая из двух секций располагалась на трех 2-осных тележках с индивидуальным электроприводом.

При вождении тяжелых поездов новый локомотив должен был дать экономический эффект более 200 тысяч рублей в год (по курсу 1980 года), что стало основанием для включения будущей машины в официальный «Типаж магистральных электровозов».

Для экспериментальной проверки расчетов на Новочеркасском электровозостроительном заводе изготовили макет локомотива, в августе-сентябре 1981 года испытали его на разных скоростях и участках пути, подтвердив высокие качества ходовой части.

Проектирование электровоза ВЛ85 вел заместитель директора ВЭЛНИИ В.Я. Свердлов. В мае 1983 года построили первый образец, летом – второй. После опытного пробега на 5000 километров ВЛ85-001 предъявили МПС для испытаний, завершившихся вполне успешно.

«Механическую часть ВЛ85 выполнили так, – пишет Курихин, – чтобы кузов устанавливался на двухосные тележки с опорно-осевой, а в перспективе опорно-рамной подвеской тяговых электродвигателей, секции соединили автосцепкой, раму кузова спроектировали с учетом продольного усилия до трехсот тонн. В секциях смонтировали по трансформатору с тремя вторичными обмотками (по числу тележек), нагруженными через собственные преобразователи двумя соединенными параллельно тяговыми электродвигателями. Большое внимание уделили компоновке, вентиляции кузова и тяговых моторов, системе управления, снижению расходов энергии для собственных нужд локомотива».

Впервые в отечественной практике на ВЛ85 установили автоматизированную систему управления (АСУ), построенную на основе микропроцессоров и другой микроэлектроники, позволившую плавно разгонять состав до требуемой скорости с заданным током тяговых электродвигателей. После этого АСУ поддерживала постоянную скорость на ровном пути, а на спусках выполняла электрическое притормаживание. Кроме того, она контролировала рекуперацию, торможение до полной остановки, распределение усилия при двойной тяге. Благодаря ей удалось увеличить разгон на шесть процентов, замедление поезда – на десять процентов. По сравнению с ВЛ80Р расход энергии на новом локомотиве уменьшился больше чем на треть, и почти 1,2 раза возрос ее возврат в контактную сеть при режиме рекуперации. АСУ обеспечила надежную работу локомотива при колебаниях подаваемого напряжения в пределах 19-29 кВ».

А вот некоторые технические данные электровоза ВЛ85. Сцепной вес – 288 тонн. Габариты: длина – 45 метров, ширина – 3,16 метра, высота – 5,19 метра. Усилие тяги в часовом режиме при скорости 49,1 километра в час – 74 тонны.

Сначала оба электровоза испытывали на кольце Новочеркасского завода, потом динамику и воздействие на путь ВЛ85-001 – на Северо-Кавказской дороге, а тягово-энергетические характеристики ВЛ85-002 – на экспериментальном кольце ВНИИЖТ в Щербинке. Затем локомотивы передали для опытной эксплуатации на линии Белореченская – Майкоп, Мариинск – Красноярск – Тайшет, Абакан – Тайшет – Лена. Государственная комиссия отнесла их к высшей категории качества и рекомендовала НЭВЗу в 1985 году выпустить пять таких машин, а со следующего года приступить к их серийному производству.