Наверняка многие из вас в курсе, что на территории России ещё есть неэлектрофицированные участки железных дорог, по которым не могут курсировать электровозы. Вместо них роль тягового локомотива берут на себя тепловозы. В этих локомотивах происходит сжигание дизельного топлива в дизельном двигателе, от чего тот начинает вырабатывать механическую энергию. Однако эта механическая энергия не передаётся да железнодорожные колёсные пары напрямую.
Вот взять к примеру любой большегрузный автомобиль или автобус: там механическая энергия, которая состоит из скорости вращения коленвала и его крутящего момента, передаётся на колёса через посредников. И этими посредниками являются сцепление, коробка передач, карданные валы, редуктор-дифференциалы и полуоси. Но в ж/д тепловозах всё не так. Нет там на дизеле ни коробки передач, ни всего остального. Вместо всех этих механических трансмиссионных решений применяется так называемая электромеханическая трансмиссия. И состоит она из тягового электрического генератора и электродвигателей от 6 шт и более.
И отсюда возникает вопрос: зачем все эти сложности? Не проще ли делать трансмиссию для тепловозов как в любом грузовике?
Чтобы разобраться в этой ситуации, необходимо для начала определиться с габаритами и массой. Так например масса железнодорожного состава может достигать нескольких тысяч тонн. Согласитесь, что сдвинуть её с места и разогнать до нужной скорости, пусть даже по ровным рельсам, очень непросто. Особенно, если сравнивать с массой гружёной фуры, которая и до 100 тонн не дотягивает. Иными словами, локомотив должен обладать не только высокой мощностью, но очень высоким крутящим моментом на колёсных парах, чтобы сдвинуть ж/д состав с места.
А теперь давайте представим, как это может выглядеть в реальных условиях. Для получения максимального момента на маховике дизеля, ему нужно выйти на рабочие обороты. Он не может находиться в заклиненном состоянии и выдавать пиковый крутящий момент. И вот как раз в этом месте появляется сцепление, которое неминуемо будет изнашиваться, пока дизель вращается, а поезд трогается с места. Плюс ко всему такому дизелю понадобится гигантская коробка передач.
Её размеры, даже с учётом последних достижений в области машиностроения, будут сопоставимы с размерами самого дизельного двигателя. А вот её надёжность будет оставлять желать лучшего, особенно учитывая то, что для плавного и безопасного разгона там должно быть около 50 - 60 передач. Разумеется её обслуживание не может стоить дёшево. А в случае поломки одной из передач другие передачи будут страдать, т.к. будут вынуждены включаться не на своих режимах.
И таким образом конструкторы пришли к выводу: то, что ещё сносно работает на дизельных большегрузных фурах, не будет исправно работать в ж/д локомотивах. К тому же гигантское количество карданных валов и ведущих мостов на колёсных парах - это тоже та ещё головная боль. Потому что для их вращения от одной коробки передач понадобится раздаточная коробка неимоверных размеров. В итоге было решено даже не пытаться вводить это в эксплуатацию такую механическую трансмиссию, а заменить на привычную уже сейчас электромеханическую трансмиссию.
Но отсюда возникает встречный вопрос: а почему электро-механическая трансмиссия так хорошо справляется с высокими моментами при трогании с места огромного состава, после чего отлично выходит на высокие скорости при его разгоне?
Здесь нужно отдать должное коллекторным двигателям постоянного тока. Всё дело в том, что они выдают свой максимальный крутящий момент уже с нуля об/мин. Т.е. они, находясь в заклиненном состоянии, когда ж/д состав ещё стоит, но уже пытается тронуться с места, выдают на колёсные пары через ведущие редуктора все свои сотни килоньютон-метров крутящего момента. А не сгорают они, потому что находятся под принудительным обдувом центробежными вентиляторами. Иными словами для них и режим полного заклинивания является нормой и режим высоких скоростей тоже является нормой. Это как раз то, чем не может похвастаться ни один ДВС и уж тем более дизель.
В свою очередь тяговый генератор, который запитывает эти электромоторы, вращается с той же скоростью, что и дизель тепловоза. Также важно отметить то, что у каждой колёсной пары есть свой тяговый электродвигатель, что также избавляет конструкцию от сложных трансмиссионных решений. К тому же эти шесть и более электромоторов можно включать между собой как угодно, чтобы регулировать мощность. Можно их все включить последовательно и очень плавно тронуться. Можно последовательно-параллельно, чтобы тронуться чуть резче. А можно все параллельно, чтобы разогнаться с рывком.
Такая электромеханическая трансмиссия с использованием одного генератора и множества электромоторов с редукторами мало того что дешевле, так ещё и гораздо надёжнее, чем если бы вместо неё стояла обычная механическая трансмиссия с коробкой передач и прочими узлами и агрегатами.
