Семья богатырей.
Электровоз переменного тока ВЛ80^т.

Оригинальный текст статьи: Моделист-Конструктор №8, 9 за 1982 г.

Среди локомотивов электровозы - наиболее мощные, быстроходные, экономичные и удобные в эксплуатации машины. Именно поэтому они все шире применяются в нашей стране. Особое место среди них занимают электровозы переменного тока.

В отличие от работающих на постоянном токе они не нуждаются в стационарных выпрямительных подстанциях и все оборудование несут на себе. Питаются такие локомотивы от сети переменного тока высокого напряжения - 25 кВ, сами понижают его, выпрямляют и подают на тяговые двигатели.

Создавая принципиально новые образцы электровозов, специалисты Всесоюзного научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института электровозостроения (ВЭлНИИ) вот уже два десятилетия постоянно совершенствуют магистральные электровозы переменного тока серии ВЛ80.

Сегодня на стальных магистралях страны уже довольно много модификаций локомотивов этой серии. Мы же рассмотрим лишь несколько конструкций, ставших как бы этапными при создании электровозов переменного тока.

ВЛ80^к создан в начале шестидесятых годов. Индекс "к" говорит о том, что выпрямители на нем полупроводниковые, кремниевые, пришедшие на смену ртутным - игнитронам. Электровоз показал отличные для своего времени результаты: по тяговым качествам с ним не мог конкурировать ни один локомотив. Восемь тяговых двигателей, установленных на этой двухсекционной восьмиосной машине, развивали в часовом режиме мощность 6520 кВт. Даже на участках со сложным профилем пути (с затяжными крутыми подъемами, на кривых малого радиуса) электровоз водил составы весом 5-7 тыс. т со скоростью до 100-110 км/ч.

В начале семидесятых годов на железнодорожные магистрали страны вышел локомотив ВЛ80^т - магистральный восьмиосный электровоз переменного тока с кремниевыми выпрямителями и реостатным торможением. Это означает, что пневматический тормоз был дополнен более эффективным - электрическим, роль которого выполняют тяговые двигатели.

Как известно, двигатели постоянного тока обратимы. Если вращать ротор такого двигателя, он начнет вырабатывать электрический ток, то есть электродвигатель превратится в генератор. Именно это свойство используется в режиме реостатного торможения. Механическая энергия с вращающихся осей колесных пар передается на валы тяговых двигателей, которые превращают ее в электрическую, а та, в свою очередь, выделяется в виде тепла на тормозных резисторах. Говоря другими словами, кинетическая энергия тормозящего поезда идет на обогрев окружающего пространства. Естественно, рациональнее было бы использовать эту энергию для других, более разумных целей. Специально подсчитали, что все электровозы страны ежегодно потребляют до 45 млрд. кВт-ч электроэнергии. Но цифру эту можно уменьшить, если электрическую энергию, вырабатываемую при торможении, не превращать в тепловую, а возвращать (рекуперировать) в контактную сеть.

Явление рекуперации использовалось и прежде, но лишь на электровозах постоянного тока. Заставить рекуперировать электровоз переменного тока труднее, на пути тока вставали выпрямитель и понижающий трансформатор. Задача эта была решена лишь после того, как создали выпрямительно-инверторный преобразователь. Он позволил превращать (инвертировать) постоянный ток в переменный и рекуперировать его в контактную сеть.

Таким образом, при торможении или при движении по спуску двигатели электровоза переменного тока с рекуперативным торможением вырабатывают постоянный ток, который преобразуется в переменный, а затем через трансформатор и контактную сеть поступает к другим электровозам или в энергосистему.

В 1973 году началось производство локомотивов ВЛ80^р. Магистральный восьмиосный электровоз переменного тока с выпрямительно-инверторным преобразователем и рекуперативным торможением стал самым экономичным из всех локомотивов серии. Стать таким ему позволила именно рекуперация.

Эксплуатация ВЛ80^р показала его высокую техническую и экономическую эффективность. Сотня таких машин позволяет нашей стране экономить более 45 млн. кВт-ч электроэнергии в год.

А конструкторская мысль шла дальше, в 1979 году на базе серийного электровоза ВЛ80^т построили ВЛ80^с. Он способен работать по так называемой системе многих единиц. Внесенные новшества и усовершенствования позволяют управлять двумя спаренными локомотивами (четырьмя секциями) из кабины одного электровоза. Устройство дистанционного телеметрического управления обеспечивает согласованный режим работы всех четырех секций. Производительность труда локомотивных бригад возросла в два раза.

Локомотив ВЛ80^с незаменим в тех районах, где нужно водить тяжеловесные составы по дорогам со сложным профилем, Необходим этот электровоз и на магистралях с быстро возрастающим потоком грузов.

В 1980 году Новочеркасский электровозостроительный завод приступил к серийному выпуску грузовых магистральных электровозов переменного тока ВЛ80^с. Новому локомотиву присвоен государственный Знак качества.

Охарактеризованные выше электровозы в качестве тяговых двигателей имеют машины постоянного тока - наиболее подходящие для локомотивов по своим механическим характеристикам: при трогании с места они развивают большой начальный вращающий момент и позволяют плавно изменять скорость. Однако эти двигатели имеют коллектор и щеточный аппарат, которые быстро изнашиваются и не допускают больших токовых нагрузок из-за скользящих контактов; они сложны в изготовлении, дороги в эксплуатации. На протяжении ряда лет ведутся научные и конструкторские разработки с целью заменить их более простыми по устройству и надежными в эксплуатации бесколлекторными двигателями переменного тока. Это стало возможным с появлением силовых полупроводниковых выпрямителей, преобразующих переменный ток в пульсирующий постоянный, расщепителей фаз, изменяющих однофазный ток в трехфазный, и преобразователей частоты, позволяющих регулировать скорость вращения бегущего магнитного поля в статоре трехфазного электродвигателя переменного тока.

На базе механической части серийного электровоза ВЛ80^к было разработано и построено несколько локомотивов, где в качестве тяговых двигателей использованы машины переменного тока.

На ВЛ80^А применены наиболее простые по устройству асинхронные короткозамкнутые электродвигатели, питающиеся от диодно-тиристорных преобразователей частоты и числа фаз. Это позволило увеличить мощность электровоза по сравнению с ВЛ80^к в 1,4 раза без увеличения его массы.

На ВЛ80^Б в качестве тягового двигателя использовали синхронную неявно-полюсную машину, которая вместе с тиристорным преобразователем частоты и числа фаз и системой управления образует вентильный двигатель. В результате мощность возросла в 1,5 раза.

На ВЛ80^ВР система управления локомотивом и двигателями претерпевает значительные изменения. Широко применяются интегральные схемы, позволяющие повысить надежность и улучшить качество регуляторов, снизить объем и массу аппаратуры. Силовая схема с бесколлекторными вентильными тяговыми двигателями, питающимися от понижающего трансформатора через преобразователь частоты и числа фаз, обеспечивает режимы тяги и электрического торможения.

Тяговые и тормозные характеристики электровоза ВЛ80^ВР позволяют водить тяжеловесные поезда на подъемах и спусках практически без применения пневматических тормозов и дополнительных ограничителей по скорости движения.

На последних примерах наглядно видно, как коллектив ВЭлНИИ ведет научное обеспечение конструкторских разработок по созданию новых мощных электровозов с бесколлекторными тяговыми двигателями - серийных локомотивов будущего.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОВОЗА ВЛ80т
Род службы	грузовой
Осевая формула	2(2с-2с)
Напряжение на токоприемнике	25кВ
Частота переменного тока	50 Гц
мощность	6520 кВт
сила тяги	45.1 тс
скорость	51.6 км/ч
Скорость конструктивная	110 км/ч
Минимальный радиус проходимых кривых при скорости 10 км/ч	125 м
Масса с 2/3 запаса песка	184 т
Давление от оси на рельсы	23 тс
Электрическое торможение	реостатное
Мощность электрического торможения	5480 кВт
Подвеска тяговых двигателей	опорно-осевая

Магистральный электровоз переменного тока с кремниевыми выпрямителями ВЛ80^К имел только механические (пневматические) тормоза, которые не могли обеспечить безопасность движения тяжеловесных поездов на участках пути со сложным профилем и не позволяли выдерживать оптимальную скорость движения. Поэтому на его базе был создан электорвоз ВЛ80^Т с электрическим реостатным торможением, на котором остались также и пневматические тормоза. Конструкция его по сравнению с предшественником изменилась незначительно, прежними остались и тяговые характеристики.

Электровоз, состоящий из двух одинаковых секций, работает по системе многих едениц. Это означает, что управлять его работой может всего один машинист. Поэтому возможны следующие режимы: работают обе секции, причем каждая из них самостоятельно; в действии только одна секция.

На электровозе применена опорно-осевая подвеска тяговых двигателей, то есть одним концом двигатели опираются на ось колесной пары (через моторно-осевые подшипники), а другим концом с амортизаторами - на раму тележки. Для передачи вращения с вала двигателя на колесную пару служит жесткая двусторонняя косозубая передача. Она состоит из двух шестерен (z=20), насаженных на концы вала, и двух зубчатых колес (z=88), напрессованных на удлиненные ступицы.

Тяговые двигатели расположены на тележке симметрично, навстречу друг другу (особенность несочлененной двухосной тележки). Буксы имеют цилиндрические роликовые подшипники. Буксы от рамы тележек нагружаются через цилиндрические пружины, которые опираются на концы листовых подбуксовых рессор.

На тележке установлены два тормозных цилиндра, каждый из них воздействует на острые гребневые колодки через систему рычагов.

Кузов электровоза состоит из двух одинаковых секций обтекаемой формы, соединенных автосцепкой СА-3. Сообщение осуществляется через переходный мостик. Каждая секция представляет собой цельнометаллическую конструкцию, сваренную из прокатных н гнутых профилей и листов углеродистой стали толщиной 2 мм.

Основной элемент кузова, несущий все виды нагрузок, - рама. Ее боковины (два параллельно расположенных швеллера) соединены с внешней стороны стальным листом, по концам - буферными брусьями, в которые вварены коробки для автосцепки, а в средней части - двумя шкворневыми балками коробчатого сечения. Для передачи тяговых и тормозных усилий от тележки на раму кузова в центре балки установлен шкворень. На лобовой стенке кузова ниже окон расположены буферные сигнальные фонари.

На задней стенке размещены межсекционные электрические соединения и пневмошланги тормозной системы, розетки для питания тяговых электродвигателей и вспомогательных машин от постороннего источника электроэнергии и для заряда аккумуляторной батареи.

Чтобы лучше использовать сцепной вес электровоза в тяговом режиме, между кузовом и каждой тележкой установлены противоразгрузочные устройства: пневматические домкраты. Вертикальные колебания кузова ликвидируются гидравлическими гасителями, укрепленными между тележкой и кузовом. Каждый из них представляет собой поршневой телескопический демпфер одностороннего действия, развивающий усилие сопротивления только на ходе сжатия.

Колеса электровоза, ведущего тяжеловесный состав, могут проскальзывать при трогании с места и на крутых подъемах. Чтобы этого не происходило, под них подается по специальным шлангам с помощью сжатого воздуха песок, который хранится в песочницах (их люки на крыше электровоза). Засыпка ведется в пунктах экипировки. Между люками по краю крыши проложены металлические трапы, по которым передвигается обслуживающий персонал.

В кузове второй секции на месте радиостанции расположен санузел, а вместо блока управления реостатным торможением вмонтирована панель включения обогрева бака умывальника. В кузове первой секции есть ящики для инструмента и духовой шкаф с электроплитой для подогрева пищи. В остальном компоновка секций совпадает.

С одной стороны кузова имеется продольный коридор. Доступ к вспомогательным машинам и аппаратам, расположенным в машинном помещении, осуществляется через двери и раздвижные решетчатые шторы, снабженные пневматической и механической блокировками. Блокировки препятствуют подъему токоприемников при открытых дверях и шторах, а также открытию их при поднятом токоприемнике. В трансформаторном помещении со стороны коридора тоже есть двери с блокировками, а также круглые застекленные люки для осмотра электрооборудования.

В трансформаторном отсеке имеются лестница и люк для выхода на крышу, где расположены прожектор и устройства для подачи звуковых сигналов - тифон и свисток. На опорных изоляторах установлены токоприемники (по одному на каждую секцию) и токоведущая шина. Тут же расположены главный выключатель, разрядник, проходной изолятор для ввода кабеля в высоковольтную камеру, дроссели помехоподавления, главные воздушные резервуары, устройства вентиляции, а также другое оборудование.

В верхней части высоковольтной камеры, составляющей часть крыши электровоза, имеются люки для спуска и подъема тяжелого оборудования. Монтаж и демонтаж упрощаются тем, что все основные агрегаты скомпонованы в блоки.

В секциях электровоза прорезаны двери в боковых и торцевых стенках кузова. Вход в кабину из машинного помещения через двери в поперечной стенке.

Кабины машиниста в каждой секции электровоза, их оборудование абсолютно одинаковое. Широкие окна обеспечивают хороший обзор пути. Стекла лобовых окон с пневматическими стеклоочистителями обогреваются теплым воздухом от калорифера.

При необходимости машинист и помощник могут смотреть из кабины через проемы раздвижных боковых окон, перед которыми установлены прозрачные поворотные предохранительные щитки, отражающие встречный поток воздуха. При плохих погодных условиях, когда видимость ухудшается настолько, что нельзя разобрать путевых сигналов, машинист и помощник пользуются локомотивным светофором. Двусторонний светофор локомотивной сигнализации установлен между лобовыми окнами и дублирует путевые сигналы. В том случае, если машинист при запрещающем сигнале не начнет торможение, то автостоп, связанный с локомотивной сигнализацией, все равно приведет в действие тормоза и остановит поезд.

Скорость движения электровоза регулируется изменением напряжения, подводимого к тяговым электродвигателям. Чтобы ограничить тормозную силу при остановке и поддерживать заранее заданную скорость на спусках, ВЛ80^т снабжен системой автоматического регулирования тормозной силы.

Для определения и регистрации скорости движения в кабине машиниста установлен скоростемер. Его приводит в действие специальный привод, который крепится на первой буксе с правой стороны по ходу движения.

В кабине имеется пульт управления локомотивной радиостанцией; она позволяет машинисту поддерживать постоянную радиосвязь с линейным диспетчером и машинистами соседних участков. Сама же радиостанция расположена в конце первой секции электровоза, а ее антенна натянута между двумя стойками, вынесенными на крышу этой секции.

Перед пультом машиниста и помощника установлены удобные кресла, ниже расположены отопительные печки, а под потолком - вентиляторы. Светильники обычного и зеленого света обеспечивают необходимую для работы освещенность, на панелях блоков и измерительных приборов есть дополнительная подсветка.

Стены, пол и потолок теплозвукоизолированы пенополистиролом. Облицовка потолка и верхних панелей стен выполнена декоративным бумажно-слоистым пластиком. Пол и нижние панели стен оклеены поливинилхлоридным линолеумом.

Чтобы дать более полное представление о ВЛ80^т, добавим несколько слов об электрическом оборудовании и пневматической системе локомотива.

На электровозе применены шестиполюсные тяговые электродвигатели (мощность в часовом режиме - 790 кВт, масса - 4320 кг). Для охлаждения выпрямительных установок, тормозных резисторов тяговых двигателей служат вентиляторы разных типов. Целая система электродвигателей приводит в движение основные и вспомогательные компрессоры, главный контроллер, центральные насосы, которые осуществляют циркуляцию масла для охлаждения силового трансформатора.

Пневматическая система ВЛ80^т состоит из питательной и тормозной систем, системы вспомогательных цепей и пескоподачи.

Источник сжатого воздуха на электровозе - два компрессора, создающие давление в главных резервуарах, автоматически отключающиеся и вновь запускающиеся при снижении давления.

Для тормозных операций на отрезках тормозной магистрали в обеих секциях установлены два воздухораспределителя (первый - рабочий, второй - резервный) .

Эксплуатационники по достоинству оценили локомотив, прошедший испытания на Восточно-Сибирской железной дороге в предельно тяжелых погодно-климатических условиях. Все лучшее, что есть в нем, нашло применение в отечественном электровозостроении и было рекомендовано для применения в странах СЭВ. Новизна и смелость инженерных решений позволили ВЛ80^т стать самым надежным и наиболее экономичным электровозом своего времени. Гарантийный пробег его доведен до 200 тыс. км.

Конструкторы электровоза и организаторы его производства в 1974 году были удостоены Государственной премии СССР. К самой машине признание пришло еще раньше: в 1973 году ВЛ80^т первым из магистральных электровозов получил государственный Знак качества. На правом борту всех машин, начиная с № 917, сверкает почетный пятиугольник. ВЛ80^т трудится на самых ответственных и грузонапряженных железных дорогах нашей страны.

Е. ЧЕРНОВ, П. ЧЕРНОВ, Н. ЧЕРНОВ

Чертежи и схемы локомотива (выполнены авторами статьи):

Расположение оборудования в кабине.

Расположение оборудования в высоковольтной камере.

РАЗМЕЩЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ КАМЕРЕ:
1 - вспомогательный компоессор для подъема пантографа. 2 - панель № 3 с электрической аппаратурой, 3 - распределительный щит, 4 - конденсаторы, 5 - разъединитель выпрямительной установки, 6 - панель № 2 с электрической аппаратурой, 7 - тормозные резисторы, 8 - устройство для переключения воздуха, 9 - блок выпрямительной установки, 10 - приемопередатчик и блок питания радиостанции, 11 - блок автоматов. 12 - блок силовых аппаратов № 1, 13 - трансформатор ТРПШ, 14 - блокировочный переключатель, 15 - индуктивный шунт, 16 - блок вентиляторов для охлаждения тормозных резисторов и выпрямительных установок, 17 - блок силового трансформатора, 18 - сглаживающий реактор, 19 - блок силовых аппаратов № 2, 20 - трансформатор ТПТ-06, 21 - выпрямительная установка возбуждения, 22 - реле перегрузки, 23 - блок измерений, 24 - контактор пневматической ПК-96, 25-панель защиты от юза, 26 - панель № 4 с аппаратурой, 27 - расщепитель фаз, 28 - блок-мотор компрессора, 29 - панель № 1 с электрической аппаратурой, 30 - блок управления реостатным торможением (БУРТ).

Виды справа и слева (300 dpi).

Торцевые стенки секций (300 dpi).

Вид сверху (300 dpi).

Расположение оборудования на крыше:
1 - тифон, 2 - прожектор, 3 - токоприемник (пантограф), 4 - дроссели гашения помех, 5 - разъединитель, 6 - люк выхода на крышу, 7 - опорный изолятор, 8 -"трубопровод сжатого воздуха, 9 - ограждение главного воздушного резервуара, 10 - изолятор межсекционных проводов, 11 - свисток, 12 - люк песочницы, 13 - дефлектор, 14 - разрядник, 15 - антенна, 16 - главный воздушный выключатель, 17 - фильтр, 18 - проходной изолятор с трансформатором тока, 19 - шахта вентиляции с выбросными жалюзи, 20 - жалюзи забора воздуха для вентиляции, 21 - токоведу-щая шина, 22 - трап, 23 - межсекционный мостик

Тележка (300 dpi).