Почему внутри тепловоза работают и дизель, и электромоторы

У многих тепловозов дизель вращает генератор, а колёсные пары приводят отдельные электродвигатели. Так дизель может работать на нужных ему оборотах, пока колёса едва начинают двигаться и тяжёлый поезд трогается с места. Электромоторы дают большую тягу на малой скорости и позволяют разгонять состав без переключения многоступенчатой коробки.

Так устроены многие мощные магистральные тепловозы. На железных дорогах работают и локомотивы с другими передачами — механической и гидравлической. Выбор зависит от мощности и задач машины.

Что мешает поставить обычную коробку передач

Когда поезд стоит, запущенный дизель уже вращается. Его вал нужно соединить с колёсами так, чтобы состав тронулся без рывка, а двигатель не заглох. В автомобиле при трогании эту задачу решают сцепление или гидротрансформатор: они позволяют двигателю и колёсам некоторое время вращаться с разными скоростями. Затем разные передачи позволяют менять соотношение оборотов двигателя и колёс.

Механическую коробку можно поставить и на локомотив — такие машины существуют. Но у мощного тепловоза ей пришлось бы передавать огромный крутящий момент, а сцеплению или другому пусковому устройству — выдерживать трогание тяжёлого состава. Вращение ещё нужно довести до нескольких колёсных пар в тележках, которые поворачиваются относительно кузова. Для этого потребовались бы валы и передачи, связывающие коробку с разными осями.

При трогании и движении в гору локомотив должен сильно тянуть на небольшой скорости. На ровном участке тот же состав можно разогнать, и колёса будут вращаться гораздо быстрее. Дизель во всех этих случаях должен работать на допустимых для него оборотах и не перегружаться, поэтому одной неизменной передачи здесь недостаточно.

С электромоторами можно обойтись без переключения ступеней тяговой коробки. Они развивают большой крутящий момент уже при неподвижном роторе и начинают вращать колёса, пока дизель работает на своих оборотах. По мере разгона автоматика меняет питание моторов и нагрузку генератора.

Как дизель передаёт мощность на колёса

Дизель и генератор стоят в машинном отделении тепловоза, а тяговые электродвигатели — возле колёсных пар. Между ними проложены силовые кабели. Благодаря этому от дизеля к каждой тележке не нужно тянуть карданные валы.

У маневрового ТЭМ18ДМ генератор вырабатывает постоянный ток и питает им тяговые двигатели. При запуске дизеля этот же генератор получает ток от аккумуляторов и работает как электродвигатель-стартер. Когда дизель запущен, он уже сам вращает генератор.

У грузового 2ТЭ25КМ генератор вырабатывает переменный ток, который выпрямительная установка превращает в постоянный для тяговых двигателей. На тепловозах с асинхронными моторами стоят преобразователи, регулирующие напряжение и частоту питающего их тока.

Шестерни у такого локомотива всё равно есть. Между тяговым мотором и колёсной парой обычно установлен редуктор: он снижает обороты и увеличивает крутящий момент на оси. Но переключать передачи, как в автомобильной коробке, ему не требуется.

Что электрическая передача даёт машинисту

Машинист задаёт тягу контроллером, а автоматика регулирует работу дизеля, генератора и электромоторов. Она следит за током и нагрузкой, чтобы оборудование не перегружалось. Машинисту не приходится отдельно управлять сцеплением и выбирать передачу для трогания или разгона.

Если колёса начинают проскальзывать по рельсам, добавлять тягу бесполезно: моторы будут только сильнее их раскручивать. В современных тепловозах автоматика обнаруживает такое проскальзывание, которое на железной дороге называют боксованием, и уменьшает тягу. При поосном регулировании можно отдельно менять нагрузку на двигатели разных колёсных пар.

На одинаковых оборотах дизеля локомотив может двигаться с разной скоростью — в зависимости от массы состава, уклона и заданной тяги. Когда требуется больше или меньше мощности, система меняет и работу самого дизеля: его обороты и подачу топлива.

На тепловозах с электрическим тормозом тяговые моторы помогают и замедлять поезд. Колёсные пары вращают их как генераторы, а при реостатном торможении полученный ток направляют в тормозные резисторы. Энергия движения превращается в тепло, что помогает сдерживать тяжёлый состав на спуске. В аккумуляторах эта энергия при таком торможении не запасается.

Почему такую передачу ставят не на все тепловозы

Генератор, электромоторы и аппаратуру управления нужно разместить в локомотиве, охлаждать и обслуживать. Всё это увеличивает его массу и стоимость, а при преобразовании энергии часть мощности теряется. Для небольшой машины электрическая передача может оказаться слишком сложной и дорогой.

На некоторых маневровых тепловозах применяют гидравлическую передачу. В ней между дизелем и колёсами работает гидротрансформатор, который передаёт мощность через поток масла; дальше вращение идёт по валам и механическим передачам. Гидропередачи выпускают и для более мощных локомотивов.

Для маломощного локомотива бывает достаточно механической передачи с компактной коробкой. Но мощному магистральному тепловозу нужно вращать несколько колёсных пар и работать в широком диапазоне скоростей. Генератор и отдельные тяговые моторы позволяют плавно трогать состав и менять тягу без большой коробки и системы валов к разным тележкам.