ЭЛЕКТРОПОЕЗДА. ОСОБЕННОСТИ ИХ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Трудно переоценить значение «электричек», как называют их пассажиры, пользующиеся услугами пригородных электропоездов. Ежегодно миллионы людей совершают поездки на электропоездах. Только железнодорожный узел столицы перевозит за год в пригородном сообщении более полумиллиарда пассажиров.
Начало внедрению электрической тяги на железных дорогах положила, как уже отмечалось, электрификация пригородного участка Баку — Сабунчи — Сураханы, предназначенного для перевозки рабочих нефтепромыслов. Для этого участка вагоны построил Мытищинский вагоностроительный завод, а тяговые двигатели — завод «Динамо» им. С. М. Кирова.
Для следующего пригородного электрифицированного участка Москва — Мытищи (1929 г.) моторвагонные секции также создавал Мытищинский завод, а тяговые двигатели для них — завод «Динамо». Секция состояла из моторного вагона в сцепе с двумя прицепными (по обе стороны от моторного); управление ею осуществлялось из кабин, расположенных по концам обоих прицепных вагонов. Моторные вагоны получили обозначение Св.
В 1932—1941 гг. Мытищинский завод и завод «Динамо» выпускали трехвагонные секции Сд. С 1947 г. Рижский вагоностроительный завод (РВЗ) начал выпускать трехвагонные секции Ср.
Электрическое оборудование для них также поставлял завод «Динамо» им. С. М. Кирова. Так как в то время электрифицированные дороги постоянного тока работали с напряжением в контактной сети 1500 и 3000 В, секции могли работать на двух напряжениях. С 1949 г. все оборудование для секций изготовлялось Рижским вагоностроительным и Рижским электротехническим (РЭЗ) заводами.
В связи с тем что новые участки железных дорог электрифицировались только на напряжение 3000 В и на это же напряжение стали переводить участки 1500 В, необходимость в постройке секций Ср отпала. С 1952 г. РВЗ и РЭЗ стали выпускать трехвагонные секции Сp3 на 3000 В. Из них формировались электропоезда в составе девяти или шести вагонов. Однако эти секции имели невысокое ускорение (один из наиболее важных параметров в пригородном движении с частыми остановками) и низкую конструкционную скорость (85 км/ч).
Устранить эти недостатки можно было, увеличив число моторных вагонов в поезде. В 1957 г. рижские заводы совместно с заводом «Динамо» им. С. М. Кирова выпустили первые десятивагонные электропоезда серии ЭР1 с пятью моторными вагонами, прекратив постройку секций Ср3. Максимальная скорость электропоезда ЭР1 повысилась до 130 км/ч, пусковое ускорение возросло до 0,6 м/с2. В состав электрооборудования вошли машины и аппараты более совершенной конструкции.
С 1962 г. Рижский и Калининский вагоностроительные заводы начали выпуск электропоездов ЭР2. В отличие от ЭР1 они имели удлиненные наружные раздвижные двери для возможности посадки и высадки пассажиров на остановках с низкими и высокими платформами.
В 1964—1968 гг. была выпущена партия электропоездов ЭР22, оборудованных рекуперативно-реостатным торможением. Конструкционная скорость такого поезда осталась на уровне 130 км/ч, поскольку повышать ее для условий пригородного движения нецелесообразно, зато пусковое ускорение возросло до 0,7 м/с2. Однако эксплуатация этих электропоездов выявила и ряд недостатков, связанных с температурной нестабильностью характеристик системы регулирования торможения в эксплуатации и ограниченностью диапазона применения рекуперативного торможения, особенно при повышении напряжения в контактной сети. Эти недостатки вызывали повышенный износ коллекторов тяговых двигателей и значительное количество круговых огней. В связи с этим постройка электропоездов ЭР22 была прекращена.
В постоянной эксплуатации с 1984 г. находится электропоезд ЭР200 для междугородного пассажирского сообщения, способный развивать скорость до 200 км/ч. Он состоит из 12 моторных вагонов, имеющих 48 тяговых двигателей, и двух прицепных головных вагонов.
В связи с начавшейся электрификацией железных дорог по системе переменного тока в июле 1959 г. РВЗ выпустил первую двухвагонную секцию, состоящую из моторного и прицепного вагонов. После всесторонних испытаний заводами РВЗ, РЭЗ совместно с Калининским вагоностроительным и другими заводами был выпущен первый десятивагонный электропоезд переменного тока ЭР7 с ртутными выпрямителями. Затем на этих поездах ртутные выпрямители, как и на электровозах, заменили кремниевыми (ЭР7К).
Опыт эксплуатации электропоездов ЭР7К был учтен при постройке электропоездов ЭР9, серийный выпуск которых начался в 1962 г. Электропоездам, у которых выпрямительные установки стали располагать под вагонами, было присвоено обозначение ЭР9П. Освоен выпуск новых модификаций электропоезда переменного тока — ЭР9М и ЭР9Е, имеющих модернизированное оборудование, улучшенную механическую часть и повышенные комфортные условия для пассажиров.
Электропоезда формируются из секций. В каждую секцию входит моторный (М), прицепной (П) или головной (Г) вагоны (рис. 121).

Рис. 121 Схема формировния электропоездов ЭР2 и ЭР9

Поезд формируется по схеме: (Г-(-М)-(- (П-(-+ М)+ (П + М)+ (П+М)+ (М+Г). Исключая секции П--М, можно уменьшить число вагонов до четырех или, добавив секцию, увеличить до 12 (в частности, возросший поток пригородных пассажиров на отдельных направлениях Московского узла определил необходимость применения двенадцати-вагонных поездов). В любом варианте электропоезд содержит два головных вагона, а количество моторных равно половине общего числа вагонов. В дальнейшем при описании будем считать, что электропоезд состоит из десяти вагонов.
Конструкционная скорость электропоездов ЭР2 и ЭР9 равна 130 км/ч, в десятивагонном поезде 20 тяговых двигателей. Пусковое ускорение серийных электропоездов составляет 0,6 м/с2, следовательно, поезд может развить скорость до 100 км/ч за время t= v:a= 46 с (при равномерно ускоренном его движении).

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ

На электропоездах устанавливают тяговые двигатели постоянного тока с питанием от контактной сети напряжением 3000 В и двигатели пульсирующего тока, питающиеся через преобразователи от контактной сети напряжением 25 000 В. Тяговые двигатели имеют последовательное возбуждение. Мощность тяговых двигателей электропоездов значительно ниже, чем двигателей электровозов, и в часовом режиме составляет 200 кВт. На каждом моторном вагоне установлено по четыре тяговых двигателя и, следовательно, десятивагонный электропоезд приводят в движение тяговые двигатели общей мощностью 4000 кВт.
Сравнительно небольшая мощность тяговых двигателей и специфика режима работы электропоездов позволяют применить    систему    самовентиляции; вентилятор    устанавливают    на    валу двигателя. При самовентиляции внутри двигателя   создается   разрежение,   которое способствует проникновению пыли и снега внутрь двигателя.   Поэтому на электропоездах забор   воздуха осуществляется в верхней части кузова вагона.   Воздух проходит через очистительные фильтры и отстойные камеры,   а   затем   через   гибкие   патрубки, которые    соединяются    с       тяговыми двигателями.    При    разгоне   электропоезда   в   течение   некоторого   времени тяговые двигатели работают с током,    большим    номинального     (продолжительного    режима)  значения. Скорость движения   и   расход   воздуха   невелики,   что   вызывает   быстрый нагрев обмоток двигателя. Затем почти во всех случаях происходит движение электропоезда в режиме выбега с достаточно    высокой   скоростью   и   торможение.   Температура   тягового двигателя    к    очередному    пуску после стоянки  успевает   значительно  снизиться.
Пуск тяговых двигателей электропоездов постоянного тока производится при включенном пусковом реостате на последовательном соединении тяговых двигателей моторного вагона с последующим переходом на последовательно-параллельное соединение (по два двигателя в каждой цепи). Напомним, что для электровозов такое соединение условно   считают   параллельным.   При таком способе пуска потери электроэнергии в пусковых реостатах моторного вагона снижаются до 33% всей энергии, затраченной на пуск, вместо 50%, если бы пуск производился без перегруппировки тяговых двигателей. Это очень важно в условиях пригородного движения со сравнительно частыми остановками и пусками электропоездов.
Переход с одного соединения двигателей на другое осуществляется по мостовой схеме. Как и на электровозах, для увеличения числа скоростных характеристик в электропоездах используется ослабление возбуждения. Обычно применяют две его ступени. Направление движения изменяют, переключая обмотки возбуждения.
На электропоездах переменного тока ЭР9 всех индексов к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме подключена выпрямительная установка, собранная из кремниевых диодов; она питает пульсирующим током тяговые двигатели. Тяговые двигатели соединены постоянно в две параллельные группы: по два последовательно в каждой группе. Для регулирования подводимого напряжения и, следовательно, скорости движения вторичная обмотка трансформатора имеет восемь секций с одинаковыми напряжениями в каждой секции; напряжение каждой секции вторичной обмотки трансформатора при холостом ходе составляет 276 В. Следовательно, максимальное напряжение вторичной обмотки равно 276-8= 2208 В. В силовую цепь электропоездов, помимо тяговых двигателей, входят в основном те же аппараты, что и на электровозах,— токоприемники, реверсоры, аппараты защиты и т. п. Работой аппаратов силовой цепи управляют с помощью контроллеров машиниста. Но, в отличие от электровозов, необходимые переключения при пуске, разгоне и движении осуществляются автоматически. Применение автоматического управления стало возможным, потому что в отличие от поезда с электрическим локомотивом в голове, где масса состава может изменяться в больших пределах, масса электропоезда определяется в основном тарой вагонов, т. е. практически постоянна. Автоматические переключения происходят под контролем реле ускорения, которое срабатывает в зависимости   от   значения   тягового   тока.
Основным групповым аппаратом, производящим все переключения в силовой цепи моторного вагона ЭР2, служит реостатный контроллер, в электропоездах    ЭР9 — главный    контроллер.
Главная рукоятка контроллера машиниста, с помощью которого управляют работой тяговых двигателей, имеет только четыре положения вместо более трех десятков на электровозах. При постановке ее в положение I реостатный контроллер под контролем реле ускорения, поворачиваясь и производя соответствующие переключения, выводит из цепи управления ступени пускового реостата при последовательном соединении тяговых двигателей. В положении II главной рукоятки контроллера машиниста включается первая, а затем автоматически вторая ступень ослабления возбуждения. Положение III главной рукоятки контроллера соответствует параллельному соединению двигателей. Все необходимые переключения также осуществляются под контролем реле ускорения. Если главная рукоятка контроллера машиниста установлена в положение IV, производится дальнейший разгон электропоезда, так как автоматически поочередно включаются две позиции ослабления возбуждения. Кроме того, главная рукоятка контроллера машиниста имеет маневровое положение,   в   котором   при   включенном пусковом реостате и последовательно соединенных двигателях электропоезд перемещается с низкой скоростью.
Столько же положений имеет главная рукоятка контроллера машиниста электропоездов ЭР9. В зависимости от ее положения под контролем реле ускорения поворачивается вал главного контроллера. В результате изменяется число подключенных к выпрямительной установке секций вторичной обмотки трансформатора, а также ступеней ослабления возбуждения.
Защита силовых цепей электропоездов аналогична защите таких цепей на электровозах: начиная от быстродействующего или главного выключателя и кончая защитой от радиопомех. Для предохранения буксовых подшиников колесных пар от электрокоррозии устанавливают по два заземляющих устройства на каждую тележку моторного вагона.
Для обеспечения работы электропоездов устанавливают вспомогательные машины: мотор-компрессоры, мотор-генераторы, мотор-вентиляторы, электронасосы для циркуляции охлаждающего масла в тяговом трансформаторе моторных вагонов ЭР9, расщепитель фаз и др.
В отличие от электровозов двигатели мотор-компрессоров электропоездов постоянного тока работают при номинальном напряжении 1,5 кВ. Для получения напряжения 1,5 кВ устанавливают специальную машину постоянного тока, называемую делителем напряжения.
Все тележки моторных и прицепных вагонов являются двухосными с двойным рессорным подвешиванием. Первая ступень рессорного подвешивания расположена в буксовом узле и называется надбуксовым подвешиванием, а вторая, расположенная в центре тележки,— центральным подвешиванием.    В   рессорном    подвешивании применены только цилиндрические пружины. Листовые рессоры не применяют, поскольку они обладают значительным внутренним трением между листами. При движении электропоезда возникают высокочастотные колебания, которые не гасятся листовыми рессорами. Эти колебания передаются вагону в виде шума, тряски, вибрации. Цилиндрические же пружины, не имея внутреннего трения, обеспечивают вагону плавный и бесшумный ход. В устройстве тележек предусмотрены и другие дополнительные гасители колебаний.
Колесные пары моторных и прицепных вагонов электропоездов имеют разную конструкцию. Колесная пара моторного вагона, как и на электровозе, состоит из колесных центров, на которые насаживают бандажи. На них имеется также подшипниковый узел редуктора. Колесная пара прицепного вагона состоит только из оси и двух цельнокатаных колес.
На электропоездах ЭР2 и ЭР9П (М, Е) применено рамное подвешивание тяговых двигателей. Тяговый привод односторонний, состоит из большого цилиндрического прямозубого колеса и шестерни, которые заключены в литой корпус, обеспечивающий неизменную централь, и эластичной муфты. Эластичная муфта передает вращающий момент от двигателя к зубчатой передаче и компенсирует несоосность валов двигателя и шестерни, возникающую в результате взаимного перемещения полностью подрессоренного двигателя и неподрессо-ренной колесной пары при движении вагона.
Автоматическая локомотивная сигнализация (АЛСН) и поездной автостоп, обновленные в головных вагонах электропоездов, повышают безопасность движения, способствуют повышению пропускной способности железных дорог. Устройства АЛСН допускают проследование желтого огня путевого светофора со скоростью не более 60 км/ч. Когда на локомотивном светофоре горит красный огонь, скорость не должна превышать 20 км/ч. При превышении указанных скоростей движения сработает автостоп и произойдет принудительная остановка электропоезда, предотвратить которую машинист уже не может. Основным прибором автостопа является электропневматический клапан, связывающий электрическую часть с пневматической тормозной системой электропоезда.
Оборудование электропоездов в основном располагают под кузовами вагонов. Под кузовом моторного вагона на электропоезде постоянного тока располагают пусковые реостаты, резисторы ослабления возбуждения, индуктивные шунты, быстродействующий выключатель и др. На крыше устанавливают токоприемник, устройство для защиты от радиопомех, разрядники, опорные изоляторы с соединяющей шиной для параллельной работы токоприемников электропоезда. В лобовой части вагона устроены два шкафа: один для высоковольтных аппаратов (реле ускорения, счетчик, амперметр и т.д.), другой — для низковольтной аппаратуры.
В головном и прицепном вагонах под кузовом установлены аккумуляторная батарея, мотор-компрессор, генератор управления и другое оборудование. Головной вагон имеет кабину машиниста с аппаратами, необходимыми для управления электропоездом.
В электропоездах ЭР9П(М, Е) также основное оборудование расположено под вагонами, в том числе тяговый трансформатор, сглаживающие реакторы и др. Главный выключатель установлен   на   крыше   моторного   вагона.