Аналіз параметрів сучасних електровозів подвійного живлення та параметрів тягових двигунів

На сьогодні в світі розповсюдженість високошвидкісних залізниць складає не досить велику кількість країн. В основному це країни Європи, Східної Азії та США. Більшу поширеність мають швидкісні залізниці. Безпосередньо високошвидкісний рух мають 16 країн світу, однак виробництвом техніки для такого руху займається досить невелике коло виробників. По державах такі виробничі потужності високошвидкісного рухомого складу присутні в Японії, Франції, Німеччині, Чехії, Росії, Україні, Південній Кореї, Польщі. Такі країни з високошвидкісним рухом як Китай, Туреччина, Швейцарія, США, Великобританія та деякі інші не конструюють свій високошвидкісний рухомий склад, а використовують імпортуємі поїзди з країн-виробників або будують такі поїзди на своїх заводах за ліцензією, проданою виробниками-утримувачами авторських прав на їх розробку.

Відповідно до складеної на сьогодні ситуації, високошвидкісним рухом вважають не лише рух зі швидкістю 250 км/год новими лініями, а й рух зі швидкістю 200 км/год реконструйованими лініями [1]. Крім того, необхідно розрізняти поняття «руху» та «поїзду». Поїзд може бути за параметрами високошвидкісним, але курсувати за параметрами, дійсними для іншої категорії руху (швидкісного, пришвидшеного). Саме виходячи з такої концепції можна констатувати, що в Україні хоч і відсутній високошвидкісний залізничний рух, але присутній рухомий склад для такого руху - поїзд ЕКр1, конструкційна швидкість якого складає 200 км/год.

Франція

На високошвидкісних магістралях Франції експлуатується 3 покоління поїздів TGV,що базуються на прийнятій в 1974 році концепції поїздів постійного складу спряженої конструкції (тобто обпирання кінців суміжних вагонів на спільні візки)при локомотивній тязі с розміщенням тягового електрообладнання на кінцевих вагонах (вагон-підстанція, тяговий вагон або вагон-локомотив).

Спряжена конструкція вагонів в поєднанні з особливостями ходової частини дали можливість зменшити число візків і, як наслідок - маси складу, знизити положення центра ваги (рівень підлоги вагона над рівнем головки рейок склав всього 0,9 м), забезпечити жорстке з’єднання і знизити рівень вібрацій. Ці технічні рішення обумовили також зниження сил основного опору руху (аеродинамічного, опору від внутрішнього тертя у рухомому складі, а також від взаємодії поїзда та колії) і тим самим забезпечили досягнення високих швидкостей. В результаті були створені умови для підвищення динамічної стійкості поїзда, стабільності ходу при високій швидкості і зменшення динамічних впливів поїзда, що рухається, на колію.

В поїздах TGVSud-Est 1-го покоління в другому ступені ресорного підвішування використовувались сталеві спіральні пружини великих розмірів масою 300 кг с демпферами вертикальних та повздовжніх коливань. При модернізації поїздів 1-го покоління сталеві пружини вторинної підвіски були замінені пневморесорамиSR-10 діафрагмового типу з резервуарами великої ємності, встановленими безпосередньо над оболонками ресор і передаючими на них навантаження від кузова вагона.

Хороші демпфуючі властивості пневморесор у вертикальній та поперечній площинах дозволили відмовитися від демпферів вертикальних та поперечних коливань, а також забезпечити власну частоту коливань підвішування другого ступеня в повністю навантаженому стані – 0,7 Гц. Але висока гнучкість пневморесор вимагала використання демпфера крену для запобігання надмірного нахилу кузова в кривих і установки демпферів, пов’язуючих вагону в повздовжньому напрямі для усунення повздовжніх коливань кузова.

Гашення коливань виляння візка здійснюється демпферами, що пов'язують кузов вагона і візок в повздовжньому напрямі. Гашення коливань галопування візка здійснюється демпферами, встановленими в первинному ступені підвішування.

В моторних вагонах (тягових вагонах-локомотивах) поїздів TGVвикористовують візки Y230A з Н-подібною рамою і колісною базою 3000 мм. В першому ступені ресорного підвішування в якості пружних елементів використовуються гумометалеві блоки з паралельно включеними гідравлічними гасниками коливань. В другому ступені підвішені пружини типу Flexicoil,встановлені в місцях зниження бокових балок рами.

Синхронні тягові двигуни (рисунок 2.1.1) мають опорно-кузовне підвішування. Потужність тягового двигуна складає 1120 кВт, максимальна частота обертання – 4000 об/хв, маса – 1460 кг. Момент до колісних парпередається двоступеневим проміжним редуктором з передаточним відношенням 1,16, виконаним заодне з двигуном та вісьовим редуктором. Загальне передаточне відношення приводу складає 2,1894. Передача обертового моменту до вісьового редуктора здійснюється поперечним розсувним карданним валом, конструкція якого дозволяє компенсувати взаємні переміщення кузова та візка в поперечній площині. Діаметр нових коліс моторного візка складає 920 мм, а зношених – 850 мм.

 

1 – підшипниковий щит, 2 –струмоз’ємніпальці, 3, 12- магнітопровід статора, 4- обмотка збудження, 5- демпфуюча клітка, 6- обмотка збудження, 7-болт кріплення, 8- щітки, 9- датчик положення, 10- обмотка статора, 11- підшипниковий щит.

Рисунок 2.1 – Схема конструкції синхронного тягового двигуна

Моторні вагони обладнані електричним реостатним та пневматичним гальмом, а на поїздах 3-го покоління - дисковими. Причіпні вагони мають тільки дискові гальма. Тут на кожній колісній парі встановлюються по 2 подвійних кованих диска товщиною 45 мм діаметром 640 мм. Гальмівна накладка складається з циліндричних спечених із заліза ті міді шайб, приварених до несучої пластини, яка кріпиться до тримача замком типу "ластівчаний хвіст". Такий гальмівний диск при гальмуванні на площадці зі швидкості 300 км/год розсіює 13,5·10⁶Дж.

Типова схем компоновки обладнання головних вагонів поїздів TGV останніх поколінь приведена на рисунку 2.2.

1-вентилятор ТЕД, 2- прохід, 3- компресор, 4,17- кондиціонер, 5,6,12,13- тягові перетворювачі, 7,14- блок управління, 8- головний трансформатор, 9-допоміжний перетворювач, 10-блок пневматики, 11-гальмівна резистори, 15- високовольтна апаратура, 16-пантограф, 18- повітророзподільник, 19- RC-дільник, 20-акумулятори, 21-головний трансформатор, 22-пневморезервуар, 23- допоміжний перетворювач.

Рисунок 2.2 - Розміщення обладнання на головному вагоні TGV Thalys PBKA:

Поїзд TGVSud-Est (рисунок 2.3) є поїздом першого покоління. Виходячи з існуючого на той період обладнання та відсутності розвинутої транзисторної техніки, тяговий привід був створений на базі колекторних двигунів пульсуючого струму. Для того щоб забезпечити тягову потужність, необхідну для руху поїзда зі швидкістю 270 км/год, а також для трогання з місця на підйомі 0,035 при відмові тягового агрегату одного з візків в поїзді TGV Sud-Est використовуються 6 моторних візків, тобто 2 в кожному з головних тягових вагонів, а також по одній крайній в суміжних з ними причепних.

До другого покоління відносяться поїзди TGV Atlantique, TGVReseau та TGVThalysPBA. Відмінною особливістю цих поїздів є використання для системи синхронного тягового двигуна з інвертором струму, що дозволило за рахунок збільшення тягової потужності двигуна в одиниці виконання до 1100 кВт зосередити тягове електрообладнання в двох головних вагонах. Такий привід використовувався з незначними змінами у всіх поїздах TGV другого та третього поколінь (рисунок 2.4).

 

Рисунок 2.3 - Поїзд TGV Sud-Est

Рисунок 2.4 - Схема електроприводу TGV другого та третього поколінь

Для сполучення між Англією, Францією та Бельгією через тунель під Ла-Маншем використовується поїзд Eurostar.Хоча він і єпоїздом сімейства TGV, але він не відноситься до жодного з перерахованих вище поколінь. Конфігурацією системи тягового приводу він повторює TGV Sud-Est, тільки ту вона виконана на базі асинхронних тягових двигунів. Кожний з кінців вагонів, що примикають до середини поїзда, обладнаний окремим підтримуючим візком, що дозволяє розділити поїзд на 2 частини. Додатково до струмоприймача поїзд обладнаний струмоз'ємним башмаком для живлення від контактної рейки напругою 0,75 кВ (система живлення в Англії).

Поїзд TGVPOS призначений для експлуатації на залізницях Люксембурга, Німеччини, Швейцарії та Франції. Кожен поїзд сформований з двох головних моторних та восьми проміжних причіпних вагонів.Загальна довжина поїзда 200 м, ширина вагонів 2,904 м, загальна маса 3,89 т, маса моторного вагона – 69 т, при потужності електроприводу 9,6 МВт максимальна швидкість складає 320 км/год. Ці поїзди трисистемні, вони можуть працювати від систем 25 кВ 50Гц, 15 кВ 16,67 Гц змінного струму та 1,5 кВ постійного струму. Тяговий привід виконаний на базі асинхронного тягового двигуна.Він включає в себе: моторні модулі, що складаються з тягових двигунів та редукторів, модулі перетворювачів на базі біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT) і головний трансформатор. Тяговий привід з асинхронним двигуном більш надійний у порівнянні з синхронним тяговим двигуном, має меншу масу та дозволяє повертати електроенергію рекуперативного гальмування в однофазну контактну мережу. Треба відмітити, що електродинамічне гальмування даного типу вперше застосовується на високошвидкісних поїздах сімейства TGV.Рекуперативне гальмуваннязабезпечує більшу гальмівну потужність, ніж реостатне (1200 кВт на один тяговий двигун проти 900 кВт), та економію електроенергії порядку 2%. Разом з тим очевидно, що реостатне гальмо краще підходить для виконання функцій екстреного гальмування, так як це і ї в поїздах TGV, оскільки забезпечується безпека незалежно від зовнішніх умов (при рекуперації може зникнути напруга в контактній мережі і гальмування обірветься, що не допустимо в екстрених випадках).

Німеччина

Для поїзда ICE1 (рисунок 2.6)була прийнята локомотивна тяга, при якій 2 локомотиви загальною потужністю 9,6 МВт повинні тягнути 12 причіпних вагонів. Поїзд ICE2 є половиною поїздаICE1, він має один головний вагон-локомотив та 6 причіпних вагонів, один з яких має кабіну управління. Локомотиви (головні моторні вагони) обладнані системою тягового привода трифазного струму, як на електровозі серії 120 (рисунок 2.5). Електроенергія напругою 15 кВ і частотою 16,67 Гц поступає на кожен моторний вагон через струмоприймач.

Рисунок 2.5 Схема електроприводу електропоїздів ICE1, ICE2

Для поїзда ICE1 використовувалась конструкція струмоприймача нового покоління, при розробці якої малось на меті досягнути наступних цілей: зменшити висоту для зниження аеродинамічного опору і аероакустичного шуму, виготовлення основи з багатокомпонетного склопластика із вбудованим в нього струмоведучим мідним проводом., монтаж ізоляторів в нижню частину важільної системи, що виключає струми втрат. Від струмоприймача електроенергія через головний вимикач, роз'єднувач та мережевий фільтр поступає на трансформатор загальною потужністю 5200 кВА та масою 9700 кг. На перетворювальну частину тягового двигуна (4-квадрантний перетворювач, ланка постійного струму, інвертор напруги) покладено дві задачі. Перша – забезпечити реалізацію тяговим двигуном обертового моменту без динамічних товчків і якнайкращого використання коефіцієнта зчеплення пари "колесо-рейка". Це досягається синусоїдальною формою живильного струму.

Рисунок 2.6 - Високошвидкісні поїзди Німеччини.

Тяговий двигун (рисунок 2.7) має 4-полюсне виконання та обладнаний примусовою вентиляцією. При напрузі живлення 2200 В і фазному струмі 358 А він розвиває потужність 1200 кВт при частоті ротора 3670 об/хв. Корпус статора зварний циліндричний. Довжина пакету сталі статора 475 мм, діаметр отворів 380 мм. Діаметр ротора 376 мм. Обмотка статора має ізоляцію класу F, а обмотка ротора виконана у вигляді білячої клітки з трапецієподібних мідних стрижнів. В результаті того, що конструктивні елементи двигуна інтегровані в загальну конструкцію тягового привода, стало можливим отримати його довжину 975 мм, діаметр 710 мм та масу 1865 кг.

Рисунок 2.7 - Асинхронний тяговий двигун поїздів ICE1 та ICE2

Обертовий момент передається від двигуна через редуктор-шестерню на валу двигуна, проміжне зубчасте колесо, велике зубчасте колесо (передатне відношення 1:1,19), порожнистий вал та систему карданних повідків до ведучого колеса. Блок тягового привода зі сторони двигуна підвішується через поперечний гідравлічний амортизатор до кузова вагона, а зі сторони колісної пари опирається на торцеву балку рами візка через маятникову підвіску. Два гальмівних диски розміщені на порожнистому валу тягової передачі.

Моторний візок (рисунок 2.8) має рами із зварної коробчастої конструкції з торцевими балками та низько розміщену штангу для передачі локомотиву тягових та гальмівних сил. Первинне та вторинне підвішування виконане на гвинтових пружинах з паралельно розміщеними гасниками коливань. Тут передбачено три види гальм: електричний, фрикційний (по два гальмівних диска на кожній колісній парі) і по два магніторейкових гальма на візок.

Причіпні вагони мають цільнометалеву конструкцію на базі крупнорозмірних ектрудованих профілей з алюмінієвого сплаву. Для зменьшення аеродинамічного опору на причіпні вагони передбачені аеродинамічні днища. Як показали дослідження, аеродинамічний опір розповсюджується наступним чином: в зоні візків та під підлогою – 39%, на поверхні вагонів – 27%, на струмоприймачі та даховому обладнанні –17%, в голові та хвості поїзда – 12%, міжвагонні переходи – 5%. Такого типу днища не входять в несучу структуру вагона. В середині порожнин розміщується електричне обладнання вагонів.

Головний моторний вагон ICE2 багато в чому відповідає такому ж поїзді ICE1. Встановлений новий струмоприймачDSA 350 SEK, що відрізняється від струмоприймача попередньої конструкції за рахунок застосування пружно центрованого полоза та зменшення маси контактних накладок, а також зміненої кінематики (відстані та кути між шарнірами). Завдяки цьому вдалося забезпечити надійний струмоз'єм без другого струмоприймача на вагоні управління та відмовитися від прокладки високовольтного кабеля між головними вагонами.

Вагони поїзда ICE2 мають масу приблизно на 5 т меншу, ніж ICE1 за рахунок змін в конструкції в конструкції бокових стінок та даху (порожнисті профілі, каркас кузова без шпангоутів). Використані нові сидіння, маса яких в в два рази меньша, ніж ICE1. Застосування нових матеріалів та зниження їх товщини дало можливість знизити масу внутрішнього оздоблення на 40% без зниження механічних властивостей.

 

 

Рисунок 2.8 - Моторний візок поїзда ICE1

Для причіпних вагонів використані візки SGP 400 з колісною базою 2500 мм. Тут направляючі колісних пар виконані у вигляді колонок, що в поєднанні з гідравлічними гасниками коливань забезпечує оптимальне самовстановлення колісних пар в кривих. Для первинного підвішування використані виті пружинив комбінації з гумовими елементами. Рама візка складається з двох ввігнутих в вертикальній площині повздовжніх балок і двох поперечних, що знаходяться всередині.На рамі встановлені дві пневморесори вторинного підвішування і аварійні пружини, а також компенсуючий повітряний резервуар. Зв'язок зі шкворнем здійснюється через ламініскатний механізм. Обмежувач бокової качки кузова контактує безпосередньо з повздовжніми балками кузова. Для гасіння коливань виляння передбачені гідравлічні гасники. На кожній колісній парі встановлені 4 гальмівних диски. Накладка виконана з органічного матеріалу. Магніторейкові гальма встановлені тільки на одному з візків кожного вагона. В зв'язку з цим економія маси у порівнянні з вагонами ICE1 складає 580 кг.

Вагон з кабіною управління створений на сонові причіпного з крупнорозмірних ектрудованих алюмінієвих профілей, тільки радіус спряження даху та бокових стінок тут такий самий, як і в моторних вагонів. Це викликано необхідністю збереження лобової частини з аеродинамічною оптимальною формою. До кабіни управління примикає машинне відділення з розміщеними в ньому приладам: мікропроцесорною системою управління, система автоматичного управління рухом і гальмуванням, обчислювальним пристроєм колії та швидкості, діагностики і т.д. Пасажирські приміщення вагона з кабіною управління такі ж як в причіпних вагонах.

Італія

Тут введений в експлуатацію високошвидкісний двосистемний електропоїзд ETR500P (рисунок 2.9) на локомотивній тязі з індивідуальними візками.

Рисунок 2.9 - Поїзд ETR500P

Моторні вагони (локомотиви) мають цільнонесучий кузов. Для каркаса вагона використані прямокутні елементи з високоміцної сталі. Обшивка бокових стінок, даху і передньої частини утворена екструдованими профілями з легкого сплаву і панелями з композитного матеріалу. Кузов витримує удар силою 50 т в області нижче вікна і 30 т в області вище вікна (даху). Лобовий обтікач кабіни виконаний з кевлару. Він витримує удар предмета масою 1 кг при швидкості 350 км/год. Тягове обладнання розташоване як у високовольтних камерах, так і в ящиках під рамою кузова.

Тягові вагони опираються на два двовісних візка масою 11,4 т з базою 2,9 м і діаметром коліс 1040 мм. Рама візка опирається на букси з конічними роликами через виті пружини, при чому букси з'єднані з рамою також горизонтальними повідками з гумовими елементами.Вторинне підвішування забезпечує 4 гвинтові пружини для підвишеної гнучкості, доповнені торсійним гасником коливань.

Два тягових приводи кожного з візків, що виконані як тяговий двигун та редуктор, з’єднані в один блок, закріплений на рамі кузова вагона за допомогою чотирьох повідків з пружними шарнірами. Незрушність в повздовжньому та поперечному напрямах цього блоку забезпечується за допомогою шкворня. В кривих великого радіусу переміщення візка відносно кузова відбувається за рахунок деформації елементів підвіски. а блок тягового приводу залишається нерухомим відносно кузова вагона під дією двох паралельно напружених пружин. В кривих малого радіусу (на стрілочних переводах) рама візка через торсіон передає момент повороту на блок тягового приводу, в результаті чого відбувається його поворот на длок тяговго приводу, в резудьтаті чого відбувається його поворот на шкворні. Таким чином, 88% маси моторного вагона має подвійну підвіску, 6% – одинарну і лише 6% є необресореними.

Обертовий момент від валу тягового двигуна передається колісній парі пристроєм з двох співвісних порожнистих валів і повідкових муфт, які за допомогою двох пар пружніх пальців з’єднані з однієї сторони х редуктором, а з іншої – з колісною парою. Редуктор з трьох циліндричних зубчатих коліс, в свою чергу, з’єднаний з тяговим двигуном в один вузол. Деякі елементи привода виготовлені з титанових сплавів. використовується груновий тяговий еелктропривід на база асинхронних тягових двигунів, приякому два двигуни візка отримують живлення від загального інвертора.

Цікавий факт пов’язаниий з високошвидкісним рухом в Італії. Довгий час основною тенденцією розвитку високошвидкісного залізничного транспорту цієї країнибуло удосконалення рухомого складу. Робилася ставка на старі прижиті колії, системи сигналізації та зв’язку і енергопостачання, використання одних і тих же колій для швидкісного, звичайного пасажирського руху і вантажного руху. Такий варіант на потребував значних капіталовкладень в перебудову колії, прокладеної відповідним чином в плані, задля спрямлення кривих. Використовувався рухомий склад швидкісного руху – поїзди Pendolino. Вони мають засоби примусового нахилу кузова в кривих, що не може не радувати перевізника, який не може з економічних міркувань спрямляти саму колію. Однак згодом італійці дійшли іншого висновку, що високошвидкісний рух має бути окремою колією, елекрифікованою змінним струмом. Це і призвело до появи поїзда ETR500P та стало поштовхом в переході від швидкісного руху до високошвидкісного. Ця історія досить показова для нашої держави, де наразі теденціально спотерігаються ті самі підходи, про що йтиметься далі в присвяченому Україні підпункті.

Іспанія

Ця країна має найбільшу інтенсивність розвитку високошвидкісного транспорту і, можливо, є найкращим прикладом для нашої держави як зразок досить швидкого розвитку цієї інфраструктури. Всього за 20 років після прийняття урядом рішення про впровадження високошвидкісного транспорту в Іспанії було введено в експлуатацію 956 км високошвидксних магітсралей. Це стало наслідком раціонального використання апробованиих іншими країнами технологій. Рухомий склад високошвидкісних залізниць Іспанії виконаний за останнім словом техніки.

Окрім імпортованого високошвидкісного рухомого складу – поїздів AVES100 та AVES102, що є аналогічними за конструкцією відповідно поїздам TGVAtlantique та ICE3, використовується також поїзд оригінальної конструкції AVES103 (Talgo 350 - рисунок 2.10). Ідея Talgo передбачає для формування поїзда коротких вагонів, спряжених за допомогою одновісних візків з розрізними піввісями. Зчіпні пристрої спряжених вагонів розміщені в одній площиніз вісями колісних пар. В поєднанні з міжвагонними демпферами ця обставина створює оптимальну жорсткість з’єднання вагонів, яка яка виключає надлишкові повороти кузова вагона відносно суміжного з ним, а також їх вертикальне зміщення.

Контури моторних вагонів забезпечують низкий аеродинамічний опір та високу стійкість до дії бокового вітру.

Мотонрний вагон має 2 двовісних візка. Тяговий двигун кріпиться до рами візка через маятникову підвіску, а редуктор встановлений на вісі колісної пари. Відносне переміщення двигуна і редуктора компенсується за допомогою муфти з арковими зубцями. Візки типу Flexifloat мають коліснцубазу 2650 мм та діаметр коліс 1040 мм. Рама візка складається з двох повздовжніх балок коробчатого перерізу та трьох поперечних – двох кінцевих та одної середньої. первинне ресорне підвішування виконано на витих пружинах (по 2 на кожному буксовому

 

 

Рисунок 2.10 – Поїзд Talgo 350

Рисунок 2.11 – Підтримуючий візок поїзда Talgo 350

вузлі). Напрямлення колісних пар, а також передача тягових і гальмівних зусиль виконується за допомогою горизонтальних повідків. Вторинне ресорне підвішування виконано на витих пружинах, встановлених на повздовжніх балках. Величина поперечних переміщень візка обмежується гумовими упорами. Одновісні візки проміжних вагонів також мають двоступеневе ресорне підвішування. Перше ступінь знаходиться над буксою кожного колеса, а друга вбудованав механізм нахилу кузова (рисунок 2.11). Тут кузов вагона опирається на два гумових пневмобалона, розміщених високо (практично під кришею вагона) і прикріплених до колон, що опираються на рами візка. В балонах, що з’єднані між собою, підтримується надлишковий тиск. Нахил кузова вагонів здійснюється при вході в криву за рахунок природнього впливу центробіжної сили, при цьому внутрішній по відньошенню до центра кривої балон стискається, і повітря переходить з нього у зовнішній балон. Пасивна система нахилу кузова дозволяє здійснити нахил всього на 4-5 градуса, але зурахуванням низького центу мас та підлоги вагона цього стає достатньо для бокових непогашених прискорень.

Україна

Як заначалося вище, Україна не має високошвидкісного залізничного руху, наявний лише пришвидшений чи швидкісний рух. Однак для досягнення такого руху в державі відсутні відповідні колії. Щодо рухомого складу, то рішення для досягнення цієї мети вже наявне – поїзд ЕКр-1 виробництва Крюківського вагонобудіваного заводу.

На поїзді встановленийасинхронний тяговий електродвигунTMF 59-39-4. Розшифровується цей тип як тяговий двигун з примусововою вентиляцією із зовнішнім діаметром статора 590 мм, довжиною пакета ротора 390 мм, має 4 полюси. даний тип двигунів є імпортним та використовується на поїздах польської залізниці ED74 та чеської EJ480. Технічні характеристики даного двигуна наведено в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Технічні дані на тяговий електродвигун TMF 59-39-4