Что такое локомотив и какие они бывают
Локомотив — это самоходный рельсовый экипаж, основной задачей которого является перемещение вагонов, то есть создание тяги для поезда. Само название происходит от латинских слов «locus» (место) и «moveo» (двигаю), что буквально означает «сдвигающий с места». Исторически сложилось три основных типа локомотивов, различающихся по типу силовой установки: паровоз (с паровой машиной), тепловоз (с дизельным двигателем и электрогенератором) и электровоз (с тяговыми электродвигателями). Помимо них, существуют также моторные вагоны электропоездов и дизель-поездов. В разное время инженеры экспериментировали и с другими типами двигателей, например, с паровыми и газовыми турбинами, но широкого распространения они не получили.
История локомотивостроения: от лошадей до электричества
До появления механической тяги грузы по первым чугунным рельсам вывозили с помощью лошадей. Переломным моментом стало изобретение паровоза. Первый в мире рельсовый паровоз был сконструирован англичанином Ричардом Тревитиком в 1803 году для нужд шахты. Однако его машина и последовавшие за ней разработки других изобретателей не нашли массового применения. Прорыв совершил Джордж Стефенсон, построивший в 1814 году удачный паровоз, что заложило основы всего железнодорожного транспорта. В России первенцами стали паровозы, созданные отцом и сыном Черепановыми в 1834 году.
Следующей эпохой стала электрификация. Первый электровоз постоянного тока появился в США в 1890-х годах. В СССР электрификация пригородных линий с использованием мотор-вагонных составов началась в 1926 году, а первые магистральные электровозы вышли на пути в 1933 году. Сегодня электрической тягой охвачено более 50 тысяч километров железных дорог.
Параллельно развивалось и дизельное направление. Первый магистральный тепловоз был построен в Советском Союзе в 1924 году по проекту Якова Гаккеля. Со временем более эффективные и мощные электрическая и тепловозная тяги практически полностью вытеснили паровозы с магистральных линий.
Принципы работы электровозов и система электроснабжения
Электровоз — это, по сути, подвижная электрическая установка. Энергию он получает от контактной сети, которая, в свою очередь, питается от тяговых подстанций. Те преобразуют высоковольтный трехфазный ток от обычных электростанций в ток, пригодный для тяги.
Исторически сначала использовался постоянный ток напряжением 1500 В (для пригородов) и 3000 В (для магистралей). Однако с 1960-70-х годов для вновь электрифицируемых линий стал применяться более экономичный переменный однофазный ток напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц. Это позволило значительно (в 2-3 раза) увеличить расстояние между тяговыми подстанциями, упростить их конструкцию и уменьшить сечение дорогостоящего медного контактного провода. На переменном токе работают многие ключевые направления, включая часть Транссибирской магистрали.
Ток поступает на электровоз через пантограф — подъемный токоприемник на крыше. Далее, на электровозах переменного тока, он проходит через трансформатор и выпрямитель, а затем подается на тяговые электродвигатели. Каждый двигатель, расположенный на оси, через зубчатую передачу вращает свою колесную пару. Совершив работу, ток уходит в рельсы, которые служат вторым проводом, и по отсасывающим линиям возвращается на подстанцию.
Кузов электровоза вагонного типа с кабинами управления на обоих концах обеспечивает движение в любом направлении. Мощные грузовые локомотивы часто делают двухсекционными (длиной до 33 метров) с сочленением через переход. Внутри размещена сложная электроаппаратура и вспомогательное оборудование. Современные электровозы развивают скорость 100-110 км/ч (грузовые) и до 160-200 км/ч (пассажирские, как, например, экспресс ЭР-200).
Электропоезда и тепловозы
Для пригородного сообщения используются электропоезда (в просторечии — «электрички»), состоящие из моторных и прицепных вагонов. Тяговые двигатели расположены под моторными вагонами, а кабины машиниста — в головных. Такие поезда могут развивать скорость до 130 км/ч.
Тепловоз — это автономный локомотив, который несет на себе собственную энергоустановку. Его сердце — мощный дизельный двигатель (от 2200 до 4000 кВт и более). Однако дизель напрямую колеса не вращает. Он приводит в действие генератор, вырабатывающий электрический ток для тяговых электродвигателей на осях. Такая схема называется электрической передачей, поэтому тепловоз по праву можно назвать дизель-электровозом.
Главное преимущество тепловоза — независимость от контактной сети, что позволяет ему работать на любых, даже неэлектрифицированных, линиях. Недостатки — более высокая сложность и стоимость по сравнению с электровозом, а также зависимость от запасов жидкого топлива. Мощные тепловозы (часто двухсекционные) работают на магистралях, а менее мощные (300-500 кВт) используются для маневровой работы на станциях.