Многие люди ездили и ездят на черноморское побережье Кавказа. Небо юга России пока закрыто, поэтому остаётся один вид общественного транспорта – железная дорога. Какие локомотивы работают на этом направлении? В Горячем Ключе, через который идёт большинство поездов, и в Белореченской, через которую путь на ЧПК лежит со стороны Ставрополя, меняется род электротяги. Кончается переменный ток и начинается постоянный – и пассажирские электровозы семейства ЭП1 сменяются грузовыми 2ЭС4К.
Лишь несколько поездов проезжают Горключ без смены электровоза, так как их ведут 2-системные ЭП20. Почему 2ЭС4К, а не пассажирский ЭП2К? Почему для вождения поездов на соседние курорты Кавказа – Кавминводы – в депо Кавказская есть электровозы отдельной малочисленной серии ЭП1П, «приморские»? И почему 2 × 6 не всегда равно 3 × 4?
Кто умеет водить автомобиль или хотя бы многоскоростной велосипед – тот интуитивно усвоил, что такое тяговая характеристика. На малой скорости, на первой передаче, автомобиль развивает огромную тягу – при нажатии газа в пол ускорение вдавливает в кресло, а педальный конь на первой передаче запросто встаёт на заднее колесо, стоит чуть «дать гари». На высшей же передаче всё меняется – автомобиль на педаль газа реагирует неохотно, а педали велосипеда просто каменные, быстро его разогнать невозможно. Вся мощность уходит на поддержание скорости, а не разгон. У локомотива тяговая характеристика похожая, вот для примера характеристика ЭП1:
По горизонтали отложена скорость, по вертикали отложена тяга, 100 килоньютонов приблизительно равны 10 тонно-силам. На малых скоростях тяги у двигателей столько, сколько не могут развить колёсные пары – они начнут боксовать (на железной дороге буксование колёсных пар исторически называется именно так). Поэтому сверху тяговая х-ка перекрыта красной «крышей» ограничения по сцеплению. Наибольшую тягу локомотив развивает при трогании, поскольку колёсные пáры (КП) находятся в покое, а сила трения покоя больше, чем у других типов трения – вспомните, любой объект сложнее всего сдвинуть с места, дальше он идёт легче.
После трогания по мере роста скорости ограничение по сцеплению идёт вниз, поскольку у колеса с рельсом всё меньше и меньше времени на взаимодействие. Всё это время силу тяги, то есть ток двигателей, нужно держать очень аккуратно: превысил – КП сорвались в боксование. Локомотив разгоняется, противоЭДС в якорях двигателей растёт, и чтобы поддерживать ток – надо постоянно повышать напряжение. Подробно все эти процессы описаны в статье «ТЭД-6»:
Но вот наступает момент, когда напряжение повышать уже некуда – либо пробьëт изоляцию, либо вспыхнет круговой огонь на коллекторе. Это точка, где пересекаются два графика – ограничения по сцеплению и ограничения по мощности (зелёная линия).
С этого момента мощность локомотива начинает падать – скорость растёт, с ней растёт противоЭДС, напряжение повышать нельзя. А сила сопротивления растёт, и изрядная доля, как ни странно, у силы сопротивления воздуха – каждый межвагонный промежуток, каждый подвагонный ящик упирается в воздух и тормозит, сопротивление передка локомотива в этой сумме совсем незаметно. Как только падающая сила тяги и растущая сила сопротивления сравняются – разгон прекратится.
Но не все составляющие силы сопротивления движению зависят от скорости. Есть ещё сопротивление от профиля – наклонная составляющая силы тяжести. Например, за километр путь поднимается на 8 метров – это подъём 8 ‰ (тысячных) или 0,008. Именно такой расчётный подъём указан для участка Адлер – Туапсе в приказе дирекции тяги «РЖД». Но это побережье, а вот севернее Туапсе, в горах, всё куда серьëзнее, о чём ниже.
Как узнать, какое сопротивление локомотиву оказывает поезд на подъёме? Умножить массу поезда на крутизну подъёма. Например, 12 двухэтажных вагонов массой 64,8 т каждый, да в каждом по 80 пассажиров массой с багажом 100 кг – это 72,8 х 12 = 874 тонны. На подъёме 0,8 % (8 ‰) сопротивление будет 7 тонно-сил. Отложив от 7 тс (68 кН) линию на тяговой х-ке, несложно увидеть, что 2ЭС4К такую тягу может развивать на всех своих рабочих скоростях:
Но это, во-первых, только сопротивление от профиля, во-вторых, это на побережье, где поезд в горы не углубляется. А что дальше, на участке Туапсе – Горключ, где в чëтном направлении расчётный подъём аж 22 ‰? Там уже сопротивление только от одного подъёма будет 19,2 тс, такую тягу «Дончак» развивает до 95 км/ч. А если доверить здесь пассажирский поезд ЭП2К?
Как видим, он развивает 19,2 тс до скорости свыше 110 км/ч. Намного больше 7. Почему же пассажирские поезда на этом участке водят грузовыми электровозами, коль пассажирскому тяги хватает? Не всё так просто. Во-первых, как уже сказано не раз, это сопротивление лишь от профиля, не посчитаны остальные составляющие. Во-вторых, неполные 900 тонн – не предел массы, 18 обычных одноэтажных вагонов – уже 1200 тонн. В-третьих, эта тяга указана для идеальных условий. Дождь, палые листья, свежая смазка на рельсах – локомотив и половину расчётной тяги с натяжкой разовьёт. То есть на практике служба тяги, вооружённая ЭП2К, будет на этом участке нетрудоспособна.
Зачем рельсы смазываются — в статье:
Однако на участке Минводы – Кисловодск расчётный подъём ещё круче: 26 ‰! Так почему же там справляются ЭП1П, с виду такие же 6-осные коллекторные пассажирские электровозы, как и ЭП2К, а на туапсинском работают грузовые 2ЭС4К? Чтобы это понять – нужно увидеть х-ки ЭП1П и ЭП2К на одном графике:
Красной линией показан ЭП1П, синей – ЭП2К. У «коллайдера» потолок тяги – 29 тс, это ограничение по току двигателей, ограничение по сцеплению не отложено вообще – оно далеко за гранью ограничения по току. А «приморец» развивает с места 44 тонны и до скорости 75 его сила тяги выше предельной силы тяги «коллайдера». Но он не может развивать более 120 км/ч – у него редукторы с бóльшим передаточным числом, у ЭП2К же редукторы допускают разгон до 160 км/ч.
О тяговых редукторах — в статьях «ТЭД-23» и «ТЭД-30»:
Решение лежит на поверхности. Коломенский завод выпускал и выпускает пассажирские тепловозы с редукторами как на 160, так и на 120 км/ч. В частности, часть ТЭП70 последних выпусков, пошедшая в горную Тынду, сделана с редукторами на 120, часть ТЭП70У (двадцатые номера) и ТЭП70 тоже «горная». Вот синей линией показана х-ка «равнинного» ТЭП70, красной – «горного»:
Как ни странно, выигрыша по тяге на малых скоростях у «горного» на графике не видно, хотя по факту он есть — разгон при отправлении куда бодрее. У тех же ЭП1М (который повторяет х-ку ЭП1) и ЭП1П разница на графике видна сразу:
Возможно, дело в том, что электровоз и тепловоз всё же по характеристикам заметно различаются, и ЭП2К с другими редукторами поменяет свои характеристики примерно как ЭП1П. Это уже надо считать. Вот оно, решение – сделать ЭП2К с редукторами на 120 для Туапсе? Но нет, коллекторный электровоз постоянного тока – не электровоз переменного и не тепловоз, у него реостатный пуск. Обратите внимание на самую первую линию — полное поле (ПП) на сериесном соединении (С), оно же С0:
С диким воем, упираясь в ограничение по току, к скорости 24 км/ч можно выбрать ходовую позицию сериесного соединения (полностью зашунтировать реостат). Это позиция, на которой «паровоз» прекращает пережигать энергию впустую и начинает ехать как надо, без риска сжечь реостат. И это если в контактной сети напряжение будет не под 4 кВ, как нередко бывает (это сдвинет х-ки вправо) и не помешают скользкие рельсы. А в приморских горах погода любит подкидывать подарки...
Даже если сделать редукторы на 120 – ходовая позиция будет с натяжкой с 18 км/ч, на практике с 25 – 30. По сути это момент, когда машинист только «отпустил сцепление», на равнине или небольшом подъёме поезд не будет сохранять такую скорость, будет разгоняться. А ЭП1П благодаря плавному регулированию может экономично ехать хоть 1, хоть 5 км/ч. Что такое соединения и реостат — рассказано в первых статьях цикла «ТЭД», как работает плавное регулирование ЭП1 — в 20-й и 22-й.
А что такое 30 или даже 40 км/ч на однопутном горном участке, где регулярно надо отправляться с боковых путей и выдерживать предупреждения об ограничениях скорости? Это первая космическая скорость. Поэтому ЭП2К с редукторами что на 160 км/ч, что на 120 для Туапсе не годится. Во второй половине статьи сравним характеристики 2ЭС4К, ЧС2, ЧС7, 2ЭС6 и 3ЭС6 и даже ВЛ15, узнаем, почему же в мире электротяги постоянного тока 3 × 4 ≠ 2 × 6.
В статье использованы данные из правил тяговых расчётов «РЖД» 2016 года: https://disk.yandex.ru/d/EwYv_GmSkI1OSw
А в группе ВК на днях вышел ролик о питании цепей управления электровоза ЧС7. Здесь тоже, но здесь можно грузить ролики до двух минут, а там — до трёх!
—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—