Главные высоковольтные цепи
Литература
· И.И. Карасев. Локомотивной бригаде об электровозе ЧС7. — Москва: ИКЦ «Академкнига», 2003. — 223 с.
· В. А. Раков. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза 1976—1985. — Москва: Транспорт, 1990. — 238 с.
Предпосылки к появлению
Самый первый произведённый электровоз ЧС7-001, работающий в Локомотивном депо Челябинск ЮУЖД
К началу 1980-х пассажиропоток на советских железных дорогах достиг значительных размеров. Требовалось либо увеличить число пассажирских поездов, чего однако не позволял чрезвычайно высокий грузооборот железных дорог, либо увеличить пассажировместимость поездов за счёт увеличения числа вагонов (30 и более), а следовательно повысить вес поезда[1]. Для технического выполнения последней задачи требовались мощные и сильные пассажирские локомотивы. Однако, основу советского пассажирского электровозного парка на тот момент составляли шестиосные электровозы серий ЧС2 (постоянного тока) и ЧС4 (переменного тока), а также ВЛ60п (пассажирская модификация ВЛ60). Мощность этих электровозов составляла порядка 4200—5100 кВт, а сила тяги не превышала 17400 кгс, что было недостаточно для ведения 30-вагонных пассажирских поездов, к тому же их конструкция, разработанная ещё в конце 1950-х, весьма устарела. Стоит отметить то, что схема управления ЧС2 всё же предусматривает возможность работы 2-х электровозов в системе многих единиц, но из-за ряда несовершенств системы (например с ведущего электровоза нельзя было восстановить защиту тяговых электродвигателей на ведомом электровозе), такой вид тяги не применялся, либо применялся крайне редко[2]. С 1971—1972 гг. Пльзеньский завод им. В. И. Ленина начал выпускать электровозы разновидностей ЧС2т и ЧС4т. От своих прототипов, эти электровозы отличались более совершенной конструкцией, а ЧС2т и более высокой мощностью, однако, и их силы тяги было всё же недостаточно. Помимо этого, со второй половины 1970-х на Октябрьской железной дороге эксплуатировалась партия восьмиосных электровозов постоянного тока ЧС6. Эти электровозы были созданы на базе скоростных ЧС200 за счёт изменения передаточного числа тяговых редукторов, а суммарная мощность их тяговых двигателей достигала 8400 кВт. Однако, такие электровозы не подходили для вождения тяжеловесных пассажирских поездов, так как несоответствие между мощностью ТЭД и сцепным весом (164 т) не позволяло значительно увеличить силу тяги. К тому же у них не было сериесного соединения всех восьми тяговых двигателей, что вынуждало к езде на реостатных позициях при относительно небольших скоростях (80 км/ч) и приводило к увеличению расхода электроэнергии.[1] Таким образом, их конструкция требовала дальнейшего улучшения. Так в начале 1980-х чехословацкому заводу Шкода поступил заказ на постройку мощных и сильных пассажирских электровозов, которые бы смогли вести поезд из 32 пассажирских вагонов[3].
Производство
Взятый за основу двигатель AL-4846eT электровоза ЧС2
Для вождения тяжёлых поездов в начале 1980-х на заводе Шкода были созданы проекты универсальных восьмиосных пассажирских электровозов переменного (см. ЧС8) и постоянного тока, которые предназначались для вождения тяжёлых пассажирских поездов на ломаных профилях. При проектировании нового электровоза постоянного тока за основу была взята конструкция электровозов ЧС6 и ЧС200, в которую внесли ряд изменений. Среди этих изменений можно отметить следующие[3][4]:
· было добавлено последовательное (сериесное) соединение всех восьми тяговых электродвигателей для езды на малых скоростях;
· изменилась форма кузовов, длина электровоза по осям автосцепок при этом возросла с 32 800 (ЧС6 и ЧС200) до 34 040 мм;
· вместо жёсткой сцепки-тяги секции стали соединяться друг с другом с помощью обычной автосцепки типа СА-3;
· на каждой из секций вместо двух токоприёмников был предусмотрен только один, так как уменьшились пусковые токи;
· улучшена система реостатного торможения;
· более совершенные вспомогательные машины;
· изменено расположение основного оборудования.
В то же время, по непонятным причинам на электровозе вместо мощных тяговых электродвигателей 1AL-4741FLT (как на ЧС200 и ЧС6) с часовой мощностью аж 1050 кВт было решено применить электродвигатели типа 1AL-4846dT, которые представляли собой модернизированные двигатели AL-4846eT, применявшиеся на ЧС2 имеющие часовую мощность 770 кВт; передаточное число редукторов при этом изменилось с 2,079 (79:38) на 1,733 (78:45).
К 1983 году без предварительной постройки опытных образцов завод Шкода выпустил сразу партию из 20 электровозов, которые получили заводское обозначение 82E1, а Министерство путей сообщения СССР дало им обозначение серии ЧС7. Машины поровну поделились между двумя депо — Челябинск-Главный Южно-Уральской и Москва-Киевская-Московской железных дорог, причём у электровоза ЧС7-011, ещё по пути следования с завода в депо приписки, по неизвестным причинам сгорела одна из секций. Дальнейший выпуск электровозов ЧС7 по годам приведён в нижеследующей таблице.
| Выпуск электровозов ЧС7 по годам. | ||
| Год | Количество, штук | Номера |
| 001 — 020 (тип 82E1) | ||
| 021 — 040 (тип 82E2) | ||
| 041 — 075 (тип 82E3) | ||
| 076 — 110 (тип 82E4) | ||
| 111 — 150 (тип 82E5) | ||
| 151 — 210 (тип 82E6) | ||
| 211 — 240 (тип 82E7) | ||
| 241 — 285 (тип 82E8) | ||
| 1992—1999 | 286 — 321 (тип 82E9) |
Стоит отметить, что ЧС7-209 стал для завода Шкода юбилейным 5000-м построенным электровозом, а также героем фильма "Вождение пассажирских поездов".
Механическая часть
Кузов и тележки
Электровоз ЧС7 состоит из двух одинаковых секций. Основа каждой секции — кузов вагонного (то есть не капотного) типа с несущей рамой. Через шкворни для передачи тягово-тормозных усилий и люлечную пружинную подвеску для передачи веса рама связана с двумя двухоснымитележками. С рамы тележки на буксы вес передается через винтовые пружины (винтовые рессоры), опирающиеся на крылья (приливы) букс, а тягово-тормозные усилия через цилиндрические цапфы, проходящие внутри пружин и входящие в отверстия приливов букс. Так как имевшие место на ЧС2 листовые рессоры, одновременно с рессорной функцией выполняющие функцию гашения колебаний, из конструкции ходовой части ЧС7 исключены, то параллельно пружинам и в люлечном, и в буксовом подвешивании установлены гидрогасители. В первые годы эксплуатации это нововведение проявляло себя не с лучшей стороны — в локомотивных депо не было оснастки, персонала и даже технологии ремонта гидрогасителей, но позже проблемы прекратились.
Каждая колёсная пара имеет двухстороннее торможение, силой тормозных цилиндров (по два на тележку) с двух сторон к каждому колесу прижимаются по две тормозные колодки. Также на электровозе имеются пневматические песочницы, подсыпающие под переднюю по ходу движения колёсную пару каждой тележки песок для улучшения сцепления. Управляются они правой педалью машиниста или автоматически при срабатывании реле боксования, а также при экстренном торможении. Для догружения первой и пятой по ходу движения колёсных пар каждой секции установлены противоразгрузочные устройства (ПРУ) — цилиндры, через рычаги и тросы поднимающие заднюю часть передней тележки. Включаются ПРУ нажатием кнопки в правой части пульта машиниста. На некоторых электровозах кнопка заменена переключателем для длительного включения ПРУ.
Тяговый привод
Тяговые электродвигатели (ТЭД), индивидуальные для каждой колёсной пары (то есть — два двигателя на тележку), имеют опорно-рамную подвеску (ОРП) — закреплены на раме тележки жёстко, якорь двигателя параллелен оси колесной пары. Передача крутящего момента от якоря двигателя к ведущей шестерне закреплённого на оси колесной пары возле одного из колёс тягового редуктора системы Skoda, аналогичная передаче ЧС2. На противоположной тяговому редуктору стороне якоря закреплена одна карданная муфта, вал от которой проходит внутри полого якоря двигателя к закреплённой на редукторе второй карданной муфте. Такая система уменьшает угловые отклонения вала и облегчает работу карданных муфт. Редукторы имеют датчики перегрева, подающие сигнал на расположенные в кабине лампы, но впоследствии на многих электровозах эта система была упразднена, и на части машин лампы перегрева редукторов показывают наполнение тормозных цилиндров.
Оборудование секций
Между собой секции соединены обычной автосцепкой, что предъявляет требования к мастерству машинистов — плавно вести поезд из-за зазоров в автосцепках и рывках при их изменениях может не каждый. Кабина, расположенная в передней части секции, имеет два лобовых стекла, на первых сериях электровоза имевших внутренний электрообогрев, который на старших сериях (с электровоза ЧС7-241, которым началась серия E8) был заменён обогревом тёплым воздухом. Также имеются два боковых треугольных окна и две расположенные за ними открывающие сдвиганием вниз прямоугольные форточки.
Под кабиной расположен кондиционер, жалюзи конденсаторов которого можно видеть на боках электровоза под кабиной, если кондиционер не снят.В случае отсувствия кондиционера жалюзи снимаются, и вместо них ставится металлический лист. На крыше каждой секции установлены токоприемник и высоковольтные шины на изоляторах, главные воздушные резервуары. В середине крыши установлен блок пуско-тормозных резисторов (ПТР), закрываемый с двух сторон жалюзи с пневмоприводом. Спереди и сзади от блока ПТР установлены лабиринтные жалюзи для забора воздуха для вентиляторов охлаждения тяговых двигателей. По левой стороне крыши за жалюзи вентиляторов двигателей над пятым окном располагаются небольшие жалюзи забора воздуха для мотор-компрессора.
Внутри кузова оборудование расположено следующим образом. За кабиной находится тамбур, имеющий пять дверей — одну в кабину, две на улицу и две в машинное отделение. Также в тамбуре установлены различные электронные приборы безопасности и шкаф с автоматическими защитными выключателями, блоком 750 обнаружения боксования колёс и аварийными сигнализаторами и переключателями. За тамбуром находится мотор-вентилятор тяговых двигателей передней тележки, за ним ПБК 330, следом — высоковольтная камера, ограждённая металлическими сетками. За высоковольтной камерой — шкаф 100 (возбудитель), мотор-вентилятор задней тележки, пневматическая панель и мотор-компрессор.
Электрооборудование
Главные высоковольтные цепи
При подаче воздуха в цилиндр токоприёмника он поднимается, и ток с контактной сети, пройдя дроссель подавления радиопомех, разъединитель (отключатель неисправного токоприёмника, имеет пневматический привод) и проходной керамический изолятор, поступает в кузов электровоза. Отсюда — две параллельные цепи, через добавочный резистор к установленному на пульте машиниста вольтметру сети (на пульте обычно имеется надпись об опасности открытия пульта при поднятом токоприёмнике), и к быстродействующему выключателю 021 — главному защитному аппарату. После быстродействующего выключателя — три параллельных цепи. Первая — тяговая цепь, то есть цепь тяговых двигателей, вторая — цепь вспомогательных машин и отопления кабин. Эти две цепи имеют общий электросчетчик. Третья — цепь отопления поезда, очень простая, реле перегрузки, контакторвключения отопления, электросчетчик отопления и высоковольтный штекер, расположенный на буферном брусе.
Для обеспечения безопасности работ в высоковольтной камере в высоковольтной цепи установлены заземлители — по конструкции аналогичные разъединителям. После отключения разъединителя они заземляют участок между разъединителем и проходным изолятором на корпус электровоза. Управление разъединителем, заземлителем и токоприемником производится одним переключателем на пульте машиниста, отдельным для каждой секции.
Цепи тяговых двигателей и вспомогательных машин весьма сложны. Все двигатели — коллекторные постоянного тока.
Тяговые цепи
Всего на электровозе имеются восемь тяговых электродвигателей, питающихся напрямую от контактной сети. Двигатели рассчитаны на номинальное напряжение 1500 В и поэтому постоянно соединены в пары последовательно — всего четыре пары. Для получения различных скоростей есть три варианта соединения групп двигателей — все четыре пары последовательно (сериесное соединение, сокращённо С, при котором на каждый двигатель приходится 3000/8=375 вольт), две пары каждой секции последовательно, между собой секции параллельно (сериес-параллельное соединение, СП, по 750 В на двигатель) либо все четыре пары параллельно (параллельное соединение — П, 1500 В на двигатель). Для переключения соединений используются линейные контакторы (ЛК).
Для ограничения тока двигателей, более плавного трогания и разгона в их цепь могут вводиться пуско-тормозные резисторы (ПТР). Переключаются резисторы реостатными контакторами. Для охлаждения ПТР блок каждой секции имеет два установленных в нём вентилятора, подключённых к отпайке самих резисторов. Скорость вращения вентиляторов зависит от падения напряжения на резисторах, то есть от тока через них. Благодаря наличию вентиляторов нет опасности пережога резисторов даже при длительном движении с введёнными ПТР. Для повышения скорости на выбранном соединении используется ослабление возбуждения тяговых двигателей — параллельно обмоткам возбуждения подключаются резисторы малого сопротивления (шунты), в результате падает магнитный поток двигателя, а с ним и противоЭДС, в результате возрастает ток. Изменение направления движения электровоза производится изменением полярности включения обмоток возбуждения с помощью реверсоров — ножевых переключателей с пневматическим приводом. При неисправности одного из тяговых двигателей (пробой изоляции, обрыв карданного тягового привода) пару двигателей можно вывести из работы ручным ножевым отключателем.
Все переключения соединений, ПТР и шунтов тяговых двигателей ведутся электропневматическими контакторами, управляемыми контроллером машиниста. Он состоит из двух частей — одна, стандартный контроллер машиниста 21KR, установлена в кабине, её реверсивный вал 303 и вал ослабления возбуждения 306 управляют напрямую соответственно реверсорами и контакторами ослабления возбуждения, а главный вал 305 управляет четырёхцилиндровым пневмодвигателем промежуточного барабана контроллера (ПБК) 330, установленного в машинном отделении.
ПБК 330 — низковольтный групповой переключатель, имеющий 54 контакторных элемента — по числу управляемых ПБК контакторов. ПБК имеется в каждой секции (в отличие от ЧС6 и ЧС200, где ПБК один на обе секции) и управляет контакторами обеих секций сразу. При выходе из строя ПБК передней по ходу секции можно перейти на управление от ПБК задней секции. При сгорании какого-либо контактора можно переключением кабелей собрать аварийную схему. Этим обеспечивается высокая надёжность электровоза.
ПБК имеет 57 фиксированных позиций — нулевую, на которой все контакторы выключены, и 56 рабочих. На первой позиции открываются жалюзи блока ПТР и собирается цепь сериесного соединения с полностью введёнными ПТР. При перемещении ПБК 330 до 20-й позиции поочерёдно выводятся ступени резисторов, и на 20-й ПТР выводятся полностью — это безреостатная позиция С соединения. Далее следует переходная позиция 21, на которой в цепь вновь вводятся ПТР и переключается соединение двигателей (по так называемой схеме моста, исключающей провал силы тяги), и первая реостатная позиция СП соединения — 22. Безреостатная позиция СП соединения — 38, далее следует 39-я переходная (также с мостовым переходом) и первая реостатная параллельного соединения, 40. На режим безреостатного параллельного соединения электровоз выходит на 56-й позиции ПБК.
Управление пневмодвигателем ПБК 330 с помощью контроллера машиниста 21KR вполне обычное, ослабление возбуждения возможно на любой позиции ПБК. Есть одна дополнительная кнопка «СП-С», установленная слева от контроллера машиниста. С любой позиции П соединения она сбрасывает ПБК на позицию 38, с любой позиции сериес-параллельного соединения на 20-ю, с любой позиции сериесного соединения — на нулевую. Этой кнопкой весьма удобно пользоваться для более плавного ведения поезда, при переходе с высшего соединения на низшее с ослабленным возбуждением (например, с П без шунтов на СП со всеми шунтами; разгон на «голой параллели» обычно применяют для набора скорости 110—140 км/ч, после чего хватает режима «СП5» — СП и все шунты). Нажимается кнопка «СП-С», и пока ПБК 330 движется до безреостатной позиции — плавно поочерёдно включаются ступени шунтов. Переход получается плавнее, чем он был бы при сбросе позиций ПБК и последующем включении шунтов только штурвалом, без сильного провала силы тяги.
Вспомогательные цепи
На каждой секции электровоза ЧС7 установлены три высоковольтные вспомогательные машины (не считая входящих в тяговую цепь вентиляторов ПТР) — два мотор-вентилятора (МВ) тяговых двигателей и один мотор-компрессор (МК). Каждый из мотор-вентиляторов установлен вертикально и состоит из высоковольтного двигателя, двух вентиляторных колес (одно закреплено на верхнем конце вала двигателя, другое на нижнем) и расположенного сбоку на корпусе вентилятора коллекторного генератора управления. Генератор управления приводится от двигателя вентилятора через ременную передачу и вырабатывает постоянный ток напряжением 50 В для питания цепей управления и освещения электровоза.
Двигатели вентиляторов рассчитаны на напряжение 1500 В и поэтому вентиляторы каждой секции электровоза постоянно соединены последовательно. Между собой вентиляторы секций могут соединяться последовательно (режим низкой скорости) и параллельно (режим высокой скорости) с помощью расположенных в каждой из секций переключателей вентиляторов с пневматическим приводом. В цепи вентиляторов имеются добавочные резисторы. При включении в цепь введён резистор сопротивлением 160 Ом, это обеспечивает плавный разгон двигателей. Через 3 секунды срабатывает реле времени и значительная часть сопротивления выводится, в цепи остаётся лишь 25 Ом. Включается та или иная скорость переключателем на пульте машиниста.
Мотор-компрессор предназначенный для нагнетания запаса воздуха в главных резервуарах, используемого для работы тормозов, звуковых сигналов, песочниц, стеклоочистителей, электроаппаратов с пневматическим приводом. Он расположен горизонтально, состоит из высоковольтного двигателя и трехцилиндрового компрессора K2-Lok1. Забор воздуха для компрессора — из-за борта. Пуск компрессора может быть как автоматический, по сигналу реле давления, срабатывающего при давлении в главных резервуарах менее 7,5 Атм, так и ручной — это выбирается переключателем на пульте машиниста. Также в картере компрессора установлен электронагреватель для обогрева масла после длительной стоянки зимой, он включается тем же переключателем в кабине. Запуск компрессора, как и вентиляторов, реостатный. При включении в цепь введён добавочный резистор сопротивлением 69 Ом, и по прошествии 2 секунд, если давление в главных резервуарах более 3 атмосфер (при меньшем давлении нагрузка на компрессор мала и частота вращения может повыситься сверх предела) почти весь резистор закорачивается.
Для отопления в каждой кабине установлено два калорифера. Сами калориферы питаются высоким напряжением, а двигатели их вентиляторов — напряжением 50 В.
Низковольтные цепи
Напряжение в низковольтных цепях — 50 В. Оно вырабатывается генераторами управления (по два в секции), а при их остановке — аккумуляторной батареей, одной на каждую секцию. Делятся низковольтные цепи на две основные группы — цепи управления и освещения. Цепи управления очень обширны и включают различные реле, контроллеры, катушки вентилей и контакторов. Цепи освещения проще, по сути, они состоят из осветительных приборов и их выключателей. На лобовой части каждой кабины находится одинпрожектор и два двухцветных буферных фонаря (каждый прибор управляется своим переключателем на пульте машиниста), над тележками — светильники освещения ходовых частей (также включаются отдельным переключателем в кабине), в машинном отделении — светильники освещения машинного отделения (переключатели — в тамбуре).
В кабине имеются обычные и зелёные светильники, а также лампы освещения приборов (под козырьком приборов) — все они управляются одним пятипозиционным переключателем с положениями «Выключено», «Белый яркий», «Белый тусклый и приборы», «Приборы», «Зелёный и приборы». Яркость свечения освещения приборов регулируется плавно отдельным резистором.
От сети 50 В питаются различные преобразователи — питания приборов безопасности, электропневматического тормоза. Также в каждой секции есть вспомогательный компрессор, используемый для подъёма токоприемника и включения быстродействующего выключателя при отсутствии воздуха в главных резервуарах. Он имеет, как и на ЧС2, ручной привод, но дополнительно установлен и электропривод.
Реостатное торможени
Как и электровозы постоянного тока ЧС2т, ЧС6 и ЧС200 и переменного тока ЧС4Т, ЧС8, электровоз ЧС7 тоже оснащён реостатным тормозом, он же электродинамический, ЭДТ, или реостатный, так как ток гасится на резисторах — реостате. В этом режиме тяговые двигатели переводятся в режим генераторов и вырабатываемый ими ток «сжигается» на пуско-тормозных резисторах.
При переводе электровоза в режим реостатного торможения при помощи тормозных переключателей (два в каждой секции), по конструкции аналогичных реверсорам, якорь каждого тягового двигателя подключается к своей секции ПТР, а обмотки возбуждения двигателей каждой секции соединяются последовательно и подключаются к тиристорному возбудителю 100. Возбудитель 100 питается первоначально от аккумуляторной батареи секции. После подачи напряжения на обмотки возбуждения в якорях наводится ток, протекающий через ПТР. Возбудитель переходит на питание от одной из секций ПТР.
Для работы ЭДТ должны быть включены его выключатели на пультах в обеих кабинах. Управляется ЭДТ задатчиком тормозной силы, задаётся тормозная сила давлением воздуха. При давлении воздуха в задатчике около 0,08 атмосферы происходит разбор схемы тяги (на любой позиции контроллера машиниста) и собирается схема реостатного торможения и при дальнейшем повышении давления нарастает тормозная сила. Давление в задатчике можно создать вручную — небольшим специальным рычагом в правой части пульта машиниста, с положениями «Отпуск» (сброс давления), «Перекрыша» (удержание) и нефиксированным положением «Торможение» (повышение давления).
Также воздух в задатчик подаётся при обычном пневматическом торможении поезда краном машиниста, при этом воздух подаётся только в задатчик, а от тормозных цилиндров отсекается — происходит комбинированное торможение, пневматическое в составе и реостатное на электровозе. Но на практике ЭДТ применяется редко, так как оно сжимает состав, что не благоприятствует комфорту пассажиров, а также есть риск неисправности схемы реостатного тормоза. Исправность ЭДТ является обязательной по Правилам технической эксплуатации, но фактически этот пункт не соблюдается, и случается всё — и выход из строя шкафа 100, и неразбор тормозной схемы, и невключение ЛК.
Современность ЧС7[
По прошествии четверти века эксплуатации электровозы девяти серий — от 82E1 до 82E9, — объединённые общим именем ЧС7, продолжают работать на дорогах России и Украины (эпизодически заезжая даже в Казахстан, а именно — в Северо-Казахстанскую область, проходя по линии Курган — Петропавловск — Омск, а также на участке ЮУЖД Троицк —Карталы). Машины с номерами от № 001 до № 009 по-прежнему находятся в ТЧ Челябинск, сейчас все они эксплуатируются. Также, в ТЧ Челябинск, находятся и последние ЧС7 — № 317, 318, 319 (запас ОАО РЖД), 320, 321.
Развитие железных дорог, запуск различных скоростных поездов (например Москва — Киев, Киев — Днепропетровск, Киев — Харьков) повлекли за собой различные изменения в устройстве, графике работы и даже внешнем виде электровозов. Все российские ЧС7 оснащены системой КЛУБ-У. Часть электровозов депо им. Ильича (участок Москва-Киевская), Днепропетровск и Харьков-Октябрь подготовлены для эксплуатации в скоростном графике со скоростями до 140 км/ч (хоть ЧС7 и предназначен для скорости 160 км/ч, но реальные скорости в эксплуатации обычно не превышают 120 км/ч).
В различных локомотивных депо разработали собственные схемы окраски машин. В депо Ильича (Москва-Белорусская и Москва-Киевская) применяется окраска в сине-бело-голубую схему. Москва-Курская применяет сложную зелёно-жёлтую схему (за сложность которой начальник депо получил выговоры). Челябинск покрасил несколько электровозов в красный цвет для вождения фирменного поезда Челябинск — Москва «Южный Урал». В депо Днепропетровск имеются электровозы самых разных окрасок, среди которых стоит выделить покрашенные в бело-розовую схему машины, предназначенные для скоростного поезда Днепропетровск — Киев. В депо Харьков-Октябрь преобладают машины синего цвета с белыми полосами — это цвета экспресса Харьков — Москва, Симферополь.