Статья обновлена 23.05.2023 — добавлены заземляющие устройства
Цок-цок-цок! Цок-цок-цок... Цок-цок-цок! Цок-цок-цок... Потряхивает. В лобовом стекле бегут в треугольном луче прожектора две засыпанных снегом широких колеи, а пониже бегут ещё четыре, но маленьких и почему-то вверх ногами — это играют с лучами света лежащие на пульте очки машиниста.
В каждой колее тянутся две пары чёрных дорожек, словно днём здесь без устали ходят люди — одни в уральскую столицу, другие назад. Но нет, снег прожжён чёрной жижей, эти четыре дорожки между рельсов — слёзы уставших электровозов, следы капельной течи из редукторов и МОПов, моторно-осевых подшипников. Изредка каплю трансмиссионного из редуктора роняла и наша «двойка».
Эти две колеи — Транссиб, главная железная дорога страны. Встречный нечётный путь — уже бесстыковой, называемый иногда бархатным, а наш чётный пока лежит на деревянных шпалах и выбивает из колёс электровоза уходящую в прошлое мелодию. Цок-цок-цок! Цок-цок-цок...
Уходит в прошлое и стыковой путь, уходят и электровозы. Поездов стало меньше — кто-то из пассажиров пересел на шинокопытный транспорт, кому-то не к кому, незачем или не за что ехать, а из Коломны уже наступает смена — огромные и громкие ЭП2К, вот старые Шкоды и уходят в порезку. Первыми уйдут те, на одной из которых мы сейчас едем — Škoda 34E, поставленная в СССР ещё при Никит Сергеиче и получившая серию ЧС2.
За окном мелькнул зелёный светофор с сержантским погоном, вот-вот из-за кривой покажутся разноцветные огни светофоров Грязновской... Спуск в яму при озере Кукуян раскатил поезд — неспешный перестук трёхосных тележек теперь больше походил на экономные, в три патрона, очереди из пулемёта. Всё по расчёту машиниста, пора выхватывать! По ушам ударили два плотоядных укуса защёлок контроллера, перед глазами вспыхнула красная лампа «R», под полом завыло.
В несколько приёмов Анатолий Михайлович завернул штурвал на 20-ю позицию, лампа погасла, электровоз облегчённо выдохнул — «ш-ш-ш...» Но расслабляться рано. Ещё одно мановение штурвала, стрелка массивного — такие же стоят на подлодках — амперметра упала было на ноль, но тут же прыгнула дальше, чем была, и редукторы завыли ещё громче.
На миг повиснув в воздухе, двигатели перешли на сериес-параллельное соединение, на котором поезд можно разогнать до 120 километров в час. Но сейчас мы разгоняться так не будем — надо просто «перепрыгнуть через кочку».
— Идеальную машину чехи сделали... У семёрок уже вся ходовая разбита, запчасти брать негде, а двойки держатся.
Итак, что это был за выдох и почему двигатели повисли в воздухе? Как у грузовика — зашипел пневмопривод делителя при переходе с передачи на передачу, когда машинист переключался на повышенную? Нет, это же электровоз — шипел пневмопривод воздушных заслонок охлаждения, механики на электровозе минимум, переключение «передач» у него электрическое. Вот о механике и пойдёт речь, а в следующей статье — о переключении «передач», то есть соединений, о которых рассказано в статье 5:
(нажмите на цветное либо на транспарант — статья откроется. Транспарант может быть не виден, если у вас установлена защита от рекламы)
Многие из тех, кто вообще задумывается об устройстве локомотива, считают, что тяговые электродвигатели (ТЭД) находятся в кузове. Однако ТЭДы, как правило, установлены на тележках и лишь в некоторых случаях подвешены под кузовом возле тележек — например, у высокоскоростного поезда TGV или рельсошлифовального поезда РШП48К:
Обычно же тяговый двигатель стоит прямо рядом с осью и параллельно ей, чтобы максимально упростить передачу — на валу двигателя сидит ведущая шестерня (21 зуб), на оси установлено ведомое зубчатое колесо (82 зуба). Для защиты и для заливки смазки они закрыты кожухом — кожухом зубчатой передачи, КЗП:
Это колёсно-моторный блок электровоза ВЛ8 — колёсная пара и двигатель НБ-406. Носиками ТЭД через подпружиненную балочку опирается на раму тележки, а другой стороной он опирается на ось. И не просто опирается, а крепко держится за неё моторно-осевыми подшипниками — МОП, ведь иначе не сможет работать зубчатая передача:
То есть МОПы и держат тяговый двигатель, и обеспечивают нужное расстояние в зубчатой передаче (централь). В шапку МОП и в прилив двигателя заложены бронзовые вкладыши — половинки кольца, которые и образуют подшипник скольжения, то есть МОП — это пара трения сталь-бронза (ось-вкладыши).
Колёсная пара (КП) вместе с ТЭДом образуют колёсно-моторный блок — КМБ. МОПов, как видим, два, зубчатых передач тоже с виду две, но правильный термин — двусторонняя передача, то есть это один редуктор, разделённый на две половины. У ВЛ8 по сравнению с более старыми машинами редуктор доработан. Вот, например, ВЛ22М — его ТЭДы ДПЭ-400 на треть слабее, чем у ВЛ8:
Чтобы «половины» редуктора работали синхронно (усилие на зубьях было примерно одинаковое, иначе одна «половина» износится намного быстрее другой), зубчатые колёса у ВЛ22М выполнены упругими — зубчатый венец надет на центр шестерни наподобие шины, и между ними вставлены упругие пластинки.
При создании более мощных электровозов стало ясно, что и упругое колесо, и прямые зубья «не вывозят». Что конструкторы предложили взамен — об этом через минуту, а пока посмотрим на буксу. Как видим, у неё есть две натёртых до блеска боковины.
Эти боковины входят в направляющие на раме тележки — наличники, называется такая конструкция челюстной буксой. Когда ТЭД работает, то есть КМБ развивает тягу — букса упирается в наличник и так передаёт силу тяги (горизонтальные силы) на раму тележки. А струнка удерживает челюсти от «развала». Вертикальные силы (прежде всего вес рамы тележки и кузова) передаётся через пружины и рессоры.
Недостатки очевидны: открытая пара трения, то есть износ из-за пыли и большие потери смазки, резкие удары из-за зазоров... Это ещё паровозная схема — правда, там колёса находятся снаружи рамы, поэтому буксы видны лишь из-под самого паровоза:
Поэтому от челюстных букс на следующем поколении машин, ВЛ10 и ВЛ60, отошли, вместо них применены, как сказали бы автомобилисты, «реактивные тяги» — поводки с сайлентблоками. Я их уже показывал в первой «Эволюции ездового быка»:
Однако уже на ВЛ8 редуктор стал косозубым, он же перекочевал на ВЛ60, ВЛ80 и более поздние машины, вот разнятый КМБ ВЛ80:
А на ВЛ10 вместо 4-полюсного двигателя применён более мощный 6-полюсный ТЛ-2К1 и вместо «трясучих» носиков и балочек (трáверсной подвески) на обратной стороне двигателя появилась резинометаллическая маятниковая подвеска — это тоже показано в «Эволюции...» Основной же принцип не изменился — ТЭД стоит на колпаре через МОПы. Такая подвеска называется опорно-осевой, а весь привод — приводом I класса.
Быстро с таким приводом не поездишь: вредно и для двигателей, и для пути. Проходя каждый стык, каждую неровность пути, колёсная пара испытывает удар, а путь — ответный удар от колёсной пары. Масса КП сама по себе около 2 тонн, а если на ней висит ещё и половина массы ТЭДа (2 — 2,5 т, ибо двигатель электровоза весит 4 — 5 т) — то удары вдвое жёстче.
От ударов страдает путь, от ударов страдает двигатель, да и на колпару нагрузки повышенные — она между путём и двигателем словно между наковальней и молотом. Поэтому для более быстрых пассажирских локомотивов и электропоездов были созданы приводы II и III классов — опорно-рамные (ОРП), в которых ТЭД целиком стоит на раме тележки. О них позже, пока разберёмся с косыми зубьями да с тепловозным опорно-осевым приводом.
Что дают косые зубья? Первое: они — гипотенузы, поэтому они длиннее прямых (катетов), то есть выдерживают бóльшую нагрузку. Второе: они входят в зацепление постепенно, плавно, поэтому при работе передачи возникает меньше шума и вибраций. И третье. Обратите внимание, что зубья на левом и правом колёсах насечены в противоположные стороны.
В косозубой паре при работе возникает осевое усилие — так как зуб смотрит немного вбок, то и давит он на ответный зуб не только в сторону вращения, но и немного вбок. Например, если КП на фото едет на нас, то правое зубчатое колесо стремится выдавить свою ведущую шестерню влево, левое колесо — вправо. То есть они давят на якорь двигателя, на котором сидят шестерни, с противоположных сторон.
А якорь стоит на роликовых подшипниках, которые имеют осевой разбег — то есть дают якорю немного перемещаться вдоль оси. За счёт противоположных усилий якорь при работе самоцентруется, усилия в зубчатых парах выравниваются — не нужны упругие зубчатые колёса. Производство колёс в чём-то усложняется (косые зубья нарезать сложнее — зато не надо ставить упругие пластины), но надёжность значительно растёт.
Что нового предложила промышленность? У новых электровозов 2ЭС6 «Синара» и 2ЭС10 «Гранит» — моторно-осевые подшипники качения, а конкретно у 2ЭС10 — и вовсе односторонняя передача и асинхронный тяговый двигатель производства Siemens, причём отдельный МОП лишь один, в роли второго выступает редуктор:
У грузовых и маневровых тепловозов привод устроен похожим образом. Вот, например, привод ЧМЭ2 и ЧМЭ3, конкретно — бывшей «хозяйки» депо Балашов, ЧМЭ2-024:
С этой оси двигатель снят, поэтому есть возможность рассмотреть и зубчатое колесо, и выработку на оси от МОПов, и балочки с пружинами траверсной подвески. Зубчатое колесо, как видим, прямозубое и одно — мощность одной оси, даже у магистральных тепловозов, значительно меньше, чем у электровозов, справляется и односторонний редуктор. На тепловозе всё решает дизель-генераторная установка.
А вот комплектный КМБ. Как видим, всё то же самое — МОПы (правда, соединённые кожухом, нет голой оси между ними — так уменьшается потеря смазки), кожух зубчатой передачи... Так же устроен колёсно-моторный блок и старой челюстной тележки тепловозов ТЭМ2, М62, ТЭ3, 2ТЭ10Л:
2ТЭ10В, 2ТЭ116, ТЭМ3 и более поздние тепловозы получили новую бесчелюстную тележку, в которой, как и у электровозов, челюсти заменены поводками, однако более мягкой маятниковой подвеской ТЭД она почему-то не «поражена» — осталась траверсная:
Букса с поводками и очень характерной формы — с косыми крыльями под пружины. Похожая, но с ровными крыльями — у ВЛ65, ЭП1 и «Ермака», она показана во второй части «Эволюции...»:
У ЧМЭ3 букса тоже бесчелюстная, но не поводковая, а балансирная — букса установлена внутри балансира, который одни концом через сайлентблок закреплён на раме тележки (через сайлентблок передаются как горизонтальные, так и вертикальные силы), а на другом конце стоит пружина — через неё передаются вертикальные силы.
Ещё там есть «уши» под гидрогаситель колебаний (амортизатор), но он часто не работает — впрочем, на манёврах тепловоз особо не качает, гаситель нужен на скорости... Похожая конструкция буксы — у дизель-поезда ДР1, но у него, конечно, не электрическая передача, а гидравлическая. И балансир покороче:
А ещё у советской бесчелюстной тележки весьма интересная схема смазки МОП. У старых тепловозов и у электровозов — так называемая польстерная смазка: в шапки МОП залита осевая смазка, к оси колпары поджат фитиль — по нему смазка поднимается и смазывает ось.
А в тяговом двигателе ЭД-118Б, что был создан для бесчелюстной тележки, применён единый осевой подшипник с масляным насосом. МОПы выполнены не двумя отдельными шапками, а объединены в один массивный корпус, который — примерно как у ЧМЭ2 — закрывает всю ось. По краям корпуса заложены обычные вкладыши с польстерами, а в центре установлен шестерённый масляный насос.
При малых скоростях МОПы смазываются привычным способом — через фитили, а по мере разгона начинает работать сдвоенный (ему без разницы, в какую сторону вращаться) насос, подающий смазку под давлением. Приводится он от оси КП, колёсную пару для бесчелюстной тележки (кроме самых старых) сразу можно отличить по шестерне привода насоса в центре оси:
А на заднем плане видна необычная колёсная пара — со «спицованными» колёсами, то есть вроде электровозная, но с одним зубчатым колесом, без натёртых МОПами шеек на оси, плюс новый термин — стакан цапфы.
Это КП пассажирского электровоза ЧС8, у которого тяговый привод II класса — с опорно-рамным подвешиванием ТЭД. Этот привод обеспечивает скорость до 160 км/ч. Вот ЧС8 на скатоподъёмнике — установке для выкатки КМБ и колёсных пар без подъёма всего локомотива:
Как видим, тяговый двигатель остался на месте — а колёсной пары нет. Что такое приёмная катушка — рассказано в статье «Кто следит за машинистом?»:
И в четвёртой части «Зелёной полосы»:
Цапфы — направляющие, которые попадают в стаканы буксы. В стаканы залита смазка, по цапфам букса может скользить вверх-вниз, через них же передаются горизонтальные силы. Вертикальные силы передаются через пружины, которые надеты на цапфы — поэтому цапфы просто так не видно:
А вот у прямых предков ЧС8, ЧС4 и ЧС4Т, буксы поводковые и пружины стоят не на крыльях, а на подвешенном к буксе балансире:
А у Шкоды, с которой статья началась, у Škoda 34E и 53E, а по-простому ЧС2 — тоже цапфы, но пружины стоят отдельно, плюс буксовые пружины соединены балансирами — как у ВЛ60 или челюстной тележки тепловозов, это выравнивает осевые нагрузки:
Объединяет все эти электровозы выпуска Чехословакии одно: тяговый привод II класса системы Шкода. Как я уже показывал в предыдущих статьях на примере тележки ЧС4Т — двигатель целиком опирается на раму тележки:
На оси колёсной пары стоит лишь редуктор, другой стороной он подвешен к раме тележки — напоминает маятниковую подвеску ТЭДа в приводе I класса. Двигатель с редуктором связаны через карданную передачу, ведомая муфта хорошо видна на снятом двигателе:
Ведущая же (обозначена рыжим) упрятана внутрь полого вала якоря ТЭДа (красный):
Через ведущую муфту приводится вал (тёмно-зелёный), от него — ведомая муфта (синяя), приводящая шестерню редуктора (сиреневая), а от шестерни приводится стоящее на колёсной паре зубчатое колесо (ярко-зелёные). А бандаж — «покрышка» колеса почти любой ведущей колёсной пары.
Понятно, что колёса локомотивов и моторных вагонов электропоездов изнашиваются быстрее «ленивцев» вагонов — тут и бóльшая осевая нагрузка, и куда более частое проскальзывание колёс. А конструкция КП и конкретно колеса порой весьма сложна, и чтобы не менять колёса целиком — на них в горячем состоянии надеваются бандажи.
После остывания бандаж крепко садится на колёсный центр, дополнительно фиксируется стопорным кольцом. Белая окраска и красная риска на ведущих колёсах — как раз для контроля ослабления и проворота бандажа, а провернуть его можно неграмотными действиями — перегрев длительным торможением.
Теперь — для чего ухищрения с полым валом. Не секрет, что любая муфта лучше работает при минимальном угле отклонения вала, особенно карданная, которая по мере «изгиба» вала начинает «бить» — показывает свою кинематическую погрешность. Эти крутильные колебания могут поломать и вал, и муфты, поэтому чтобы вал отклонялся на меньшие углы — он удлинён, а ведущая муфта отнесена подальше от ведомой — в полый вал.
И ещё один момент. Расстояние между валом якоря и осью КП — малый катет, между ТЭДом и редуктором — большой катет, карданный вал — гипотенуза. Колпара всё время двигается в тележке, то есть катеты произвольно меняют свою длину — а как быть гипотенузе?
Она тоже должна «гулять», на карданном валу автомобиля для этого есть шлицы — и внутри полого вала ЧС2 и ЧС4 выполнены шлицы, а ведущая муфта установлена в зубчатом поршне. В итоге она может перемещаться взад-вперёд внутри якоря — давать редуктору и колпаре нужную свободу.
А в приводе ЧС7 и ЧС8 зубчатого поршня нет — ведущая муфта закреплена в якоре жёстко, вал перемещается за счёт осевого разбега ведущей шестерни в редукторе, нужную свободу ему дают подшипники — примерно как у якоря ВЛов. Приведу чертёж привода из книги Соколова Юрия Николаевича по ЧС8, цвета те же, что выше:
Конструкций опорно-рамного привода изобретено множество, помимо привода II класса, где подрессорен лишь двигатель, есть ещё привод III класса — подрессорены и ТЭД, и редуктор. Само собой, применяется ОРП не только на железной дороге, но и на трамваях — скорости у них поменьше, на многих линиях ограничены ПДД (60 км/ч), зато состояние пути порой намного хуже.
Вот привод ещё одной машины производства Чехословакии — вагона Татра Т-3М, он же Т-6Б5, который ведёт родословную с американских вагонов типа PCC (ПСС):
Как видим, тут некий гибрид автомобиля и электровоза — ТЭДы подвешены не поперечно, а продольно, и нет отдельных букс и отдельного редуктора — всё выполнено в общем картере моста. Это тоже карданный привод II класса, только осевую свободу валу дают не зубчатый поршень или разбег шестерни, а шлицы на самом валу — ещё один автомобильный ген. Как и дисковый трансмиссионный тормоз, и конический гипоидный редуктор.
А вот вид снизу на выкаченную из-под вагона тележку более старой Татры — Т-3, выкачена она из-за обрыва карданной муфты — прямо у двигателя:
Как видим, у старушки колодочный тормоз — барабанный, а не дисковый, держит похуже, поэтому такие вагоны чаще начинают катиться на уклоне на стоянке в течение смены. Собственно, на снимке видны все три тормоза вагона — рабочий электрический (двигатель), остановочный колодочный и аварийный магниторельсовый.
Как подвижной состав работает в режиме электрического торможения — в статье «ТЭД-21»:
А вот передача горизонтальных сил у Татр — как у «больших»: в раме тележки — шкворневое гнездо, в раме кузова — шкворень:
Правда, не у каждого «рельсохода» горизонтальные силы передаются на кузов — старые броненосцы ВЛ19, ВЛ22, ВЛ23, ВЛ8 устроены иначе. У них все тележки (у 6-осных машин — две, у ВЛ8 — все четыре) связаны между собой мощными шаровыми шарнирами, на крайних тележках стоят автосцепки. А кузов — так, сарай для людей и аппаратов, стоящий на тележках. Я обязательно это покажу, когда допишу «скелет» цикла «ТЭД» и перейду к конкретным сериям локомотивов.
На днях под видео "Советский «двухсистемный» электропоезд" читатель DC-AC POWER спросил, как ток отводится в рельсы. Так как это ходовая часть — добавляю сюда. Конечно, если пускать большой ток просто через подшипники — они долго не проживут, электроэрозия их съест. Грубо говоря, искрение постепенно сделает из гладких поверхностей непонятно что.
Поэтому на электровозах постоянного тока, где напряжение всего 3 кВ, зато токи контактной сети в тысячи ампер, обязательно есть заземляющие устройства, на которые выведены минусовые кабели. Вот они на двухсистемном электровозе ВЛ82М, который по сути — электровоз постоянного тока:
Под крышкой ЗУМа стоят несколько меднографитовых щёток (марка МГС21), поджатых с колёсной паре с торца — на чертеже они залиты рыжим. А вот ЗУ на электровозе переменного тока ЧС4:
Если в советском ЗУМе щётки установлены аксиально (вдоль оси), то в чешском ЗУ, как видим, радиально — с боков. А вот на советских электровозах переменного тока ЗУМов нет — считается, что ток слишком мал, да и электроэрозия на переменном токе меньше, чем на постоянном, как и электрокоррозия, например.
А ДАКО — центробежный регулятор, он срабатывает при скорости более 80 км/ч и давление в тормозных цилиндрах при экстренном торможении повышается с 3,8 кгс/см² до 6,8. Это нужно для сохранения тормозной силы — с ростом скорости падает коэффициент сцепления, то есть сила трения.
Что ж, разные варианты ООП рассмотрели, пару вариантов ОРП тоже рассмотрели. В дальнейшем рассмотрим ещё несколько вариантов ОРП II класса, а также коломенский привод III класса, применённый на тепловозах ТЭП60, ТЭП70 и их потомке электровозе ЭП2К. Вот привет из 2008 года — я возле колпары ТЭП60 в белорусской Орше:
На сегодня всё! Жду комментариев, мой товарищ — бывший ведущий технолог локомотивного депо — нашёл две опечатки, а сколько в тексте непоняток, для нас очевидных, а для кого-то загадочных? Ответ можете дать только вы!
Ссылка на статью размещена в группе «Профессия Машинист»:
https://vk.com/clubtraindriver
Оглавление цикла «ТЭД — труженик электродвигатель»