Самоходный железнодорожный транспорт

Введение

Локомотив – это железнодорожное транспортное средство, обеспечивающее тяговую мощность поезда. Если локомотив способен перевозить полезную нагрузку, его обычно называют моторным вагоном, дрезиной или силовым вагоном; использование этих самоходных транспортных средств становится все более распространенным для пассажирских поездов, но редко встречается в грузовых поездах. Традиционно локомотивы тянули поезда спереди. Однако широкое распространение получила схема тяги-толка, когда поезд может иметь локомотив (или локомотивы) спереди, сзади или на обоих концах. В последнее время железные дороги начали внедрять распределенную тягу (DPU). В голове состава может находиться один или два локомотива, за которыми следует локомотив в середине состава, управляемый дистанционно из головного локомотива. ООО

Этимология

Слово «локомотив» происходит от латинского *loco* — «из места», предложного падежа *locus* — «место», и средневековолатинского *motīvus* — «приводящий в движение», и является сокращённой формой термина «локомотивный двигатель», впервые использованного в 1814 году для различения самоходных и стационарных паровых машин.

Классификации

До появления локомотивов движущей силой для железных дорог служили различные менее технологичные методы, такие как мускульная сила, тягловая сила животных, гравитация или стационарные двигатели, приводившие в движение канатные системы. Сегодня лишь немногие из таких систем сохранились. Локомотивы могут вырабатывать энергию из топлива (древесины, угля, нефти или природного газа) или получать её из внешнего источника электричества. Обычно локомотивы классифицируют по источнику энергии. К наиболее распространенным относятся:

Паровые

Паровоз – это локомотив, основным источником энергии которого является паровой двигатель. Наиболее распространённая форма паровоза также содержит котел для генерации пара, используемого двигателем. Вода в котле нагревается путем сжигания горючих материалов – обычно угля, древесины или нефти – для получения пара. Паром приводятся в движение возвратно-поступательные поршни, соединенные с основными колесами локомотива, известными как «ведущие колеса». Как топливо, так и вода перевозится вместе с локомотивом, либо на самом локомотиве, в бункерах и резервуарах (такая конструкция известна как «танковый локомотив»), либо тянется за локомотивом в тендерах (такая конструкция известна как «тендерный локомотив»). Первый полномасштабный рабочий паровоз был построен Ричардом Тревитиком в 1802 году. Он был изготовлен для металлургического завода Coalbrookdale в Шропшире, Англия, однако никаких записей о его работе там не сохранилось. 21 февраля 1804 года состоялось первое задокументированное железнодорожное путешествие с использованием паровой тяги, когда другой локомотив Тревитика провёл поезд с железной дороги Penydarren в Мертир-Тидфиле в Аберсинон, Южный Уэльс. В сопровождении Эндрю Вивиана, оно прошло со смешанным успехом. Конструкция включала ряд важных инноваций, в том числе использование пара высокого давления, что уменьшило вес двигателя и повысило его эффективность. В 1812 году двухцилиндровый локомотив с зубчатой передачей Salamanca, построенный Мэтью Мюрреем, впервые проехал по рельсовой дороге Миддлтон с зубчатой передачей; он обычно считается первым коммерчески успешным локомотивом. Ещё одним известным ранним локомотивом был Puffing Billy, построенный в 1813–1814 годах инженером Уильямом Хедли для угольной шахты Wylam Colliery недалеко от Ньюкасла-на-Тайне. Этот локомотив является старейшим сохранившимся и находится на статической экспозиции в Музее науки в Лондоне. Джордж Стивенсон построил Locomotion No. 1 для железной дороги Stockton & Darlington на северо-востоке Англии, которая стала первой общественной паровой железной дорогой в мире. В 1829 году его сын Роберт построил The Rocket в Ньюкасле-на-Тайне. Rocket был заявлен и выиграл испытания в Рейнхилле. Этот успех привёл к тому, что компания стала ведущим ранним производителем паровых локомотивов, используемых на железных дорогах в Великобритании, США и большей части Европы. Железная дорога Ливерпуль и Манчестер, построенная Стивенсоном, открылась годом позже, используя исключительно паровую тягу для пассажирских и грузовых поездов. Паровоз оставался наиболее распространённым типом локомотива до окончания Второй мировой войны. Паровозы менее эффективны, чем современные дизельные и электрические локомотивы, и для их эксплуатации и обслуживания требуется значительно большая численность персонала. Данные British Rail показали, что стоимость обслуживания экипажа и топлива паровоза примерно в два с половиной раза превышала стоимость поддержки эквивалентного дизельного локомотива, а ежедневный пробег был меньше. В период с 1950 по 1970 год большинство паровозов были выведены из коммерческой эксплуатации и заменены электрическими и дизель-электрическими локомотивами. В то время как Северная Америка перешла на дизельную тягу в 1950-х годах, а континентальная Европа – к 1970-м годам, в других частях мира переход произошёл позже. Паровоз был хорошо известной технологией, использующей широко доступное топливо, и в странах с низкой заработной платой не испытывал такой большой разницы в стоимости. Он продолжал использоваться во многих странах до конца XX века. К концу XX века почти единственной паровой тягой, остававшейся в регулярном использовании во всём мире, была на исторических железных дорогах.

A steam locomotive is a locomotive whose primary power source is a steam engine. The most common form of steam locomotive also contains a boiler to generate the steam used by the engine. The water in the boiler is heated by burning combustible material – usually coal, wood, or oil – to produce steam. The steam moves reciprocating pistons which are connected to the locomotive's main wheels, known as the "driving wheels". Both fuel and water supplies are carried with the locomotive, either on the locomotive itself, in bunkers and tanks, (this arrangement is known as a "tank locomotive") or pulled behind the locomotive, in tenders, (this arrangement is known as a "tender locomotive"). The first full scale working railway steam locomotive was built by Richard Trevithick in 1802. It was constructed for the Coalbrookdale ironworks in Shropshire in England though no record of it working there has survived. On 21 February 1804, the first recorded steam hauled railway journey took place as another of Trevithick's locomotives hauled a train from the Penydarren ironworks, in Merthyr Tydfil, to Abercynon in South Wales. Accompanied by Andrew Vivian, it ran with mixed success. The design incorporated a number of important innovations including the use of high pressure steam which reduced the weight of the engine and increased its efficiency. In 1812, Matthew Murray's twin cylinder rack locomotive Salamanca first ran on the edge railed rack and pinion Middleton Railway; this is generally regarded as the first commercially successful locomotive. Another well known early locomotive was Puffing Billy, built 1813–14 by engineer William Hedley for the Wylam Colliery near Newcastle upon Tyne. This locomotive is the oldest preserved, and is on static display in the Science Museum, London. George Stephenson built Locomotion No. 1 for the Stockton & Darlington Railway in the north east of England, which was the first public steam railway in the world. In 1829, his son Robert built The Rocket in Newcastle upon Tyne. Rocket was entered into, and won, the Rainhill Trials. This success led to the company emerging as the pre eminent early builder of steam locomotives used on railways in the UK, US and much of Europe. The Liverpool & Manchester Railway, built by Stephenson, opened a year later making exclusive use of steam power for passenger and goods trains. The steam locomotive remained by far the most common type of locomotive until after World War II. Steam locomotives are less efficient than modern diesel and electric locomotives, and a significantly larger workforce is required to operate and service them. British Rail figures showed that the cost of crewing and fuelling a steam locomotive was about two and a half times larger than the cost of supporting an equivalent diesel locomotive, and the daily mileage they could run was lower. Between about 1950 and 1970, the majority of steam locomotives were retired from commercial service and replaced with electric and diesel electric locomotives. While North America transitioned from steam during the 1950s, and continental Europe by the 1970s, in other parts of the world, the transition happened later. Steam was a familiar technology that used widely available fuels and in low wage economies did not suffer as wide a cost disparity. It continued to be used in many countries until the end of the 20th century. By the end of the 20th century, almost the only steam power remaining in regular use around the world was on heritage railways.

Внутреннее сгорание

Локомотивы внутреннего сгорания используют двигатель внутреннего сгорания, соединенный с ведущими колесами посредством трансмиссии. Как правило, они поддерживают двигатель на почти постоянной скорости, независимо от того, стоит ли локомотив на месте или находится в движении. Локомотивы внутреннего сгорания классифицируются по виду используемого топлива и подразделяются по типу трансмиссии.

Бензол

Бензовые локомотивы оснащались двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензоле в качестве топлива. В период с конца 1890-х по 1900-е годы существовало несколько коммерческих производителей бензовых локомотивов. Первым был Deutz, разработавший систему, основанную на конструкторском прототипе для марганцевой шахты в Гиссене. В начале 1900-х годов эти локомотивы продавались для различных горнодобывающих и туннельных работ. После 1900-х годов широкое применение бензовых локомотивов стало ненужным и не требовалось, поскольку их недостатки стали очевидны с появлением бензиновых и дизельных локомотивов.

Киросин

Керосиновые локомотивы используют керосин в качестве топлива. Они были первыми в мире локомотивами с двигателем внутреннего сгорания, опередив дизельные и другие нефтяные локомотивы на несколько лет. Первым известным керосиновым рельсовым транспортным средством был драйсин, построенный Готтлибом Даймлером в 1887 году, однако это технически не был локомотив, так как он использовался для перевозки грузов. В 1894 году керосиновый локомотив был построен братьями Пристман из Кингстона-на-Халле для использования в портах Халла. Этот локомотив был оснащен 12-сильным двигателем двойного действия морского типа, работающим на 300 оборотах в минуту и установленным на 4-колесном шасси вагона. Из-за низкой мощности он мог одновременно тянуть только один загруженный вагон и не имел особого успеха.

Бензиновые электростанции

Бензиновые электрические локомотивы — это локомотивы, работающие на бензине, в которых для передачи мощности двигателя к ведущим колёсам используется электрическая передача. Это позволяет отказаться от механических коробок передач за счёт преобразования вращательной механической силы двигателя в электрическую энергию генератором (динамо), а затем использования этой энергии для питания колёс многоскоростными тяговыми электродвигателями. Это обеспечивает более плавное ускорение, поскольку исключает необходимость переключения передач, однако такая конструкция дороже, тяжелее и иногда более громоздка, чем механическая передача. Значительный ранний бензиновый электрический локомотив был построен в 1913 году для компании Minneapolis, St. Paul, Rochester and Dubuque Electric Traction Company. Его вес составлял 60 тонн, мощность — 350 л.с., а приводы располагались в двух тележках с компоновкой Bo-Bo.

Дизель

Дизельные локомотивы приводятся в движение дизельными двигателями. На ранних этапах развития дизельной тяги применялись различные системы передачи, с разной степенью эффективности, и электрическая передача оказалась наиболее распространенной.

Дизель-механические

Дизель-механический локомотив использует механическую трансмиссию для передачи мощности к колесам. Этот тип трансмиссии обычно применяется на маломощных, низкоскоростных маневровых локомотивах, легких моторвагонных составах и самоходных вагонах. Самые первые дизельные локомотивы были дизель-механическими. В 1906 году Рудольф Дизель, Адольф Клозе и производитель паровых и дизельных двигателей Gebrüder Sulzer основали Diesel Sulzer Klose GmbH для производства локомотивов с дизельным приводом. В 1909 году прусские государственные железные дороги заказали у компании дизельный локомотив. Первый в мире локомотив с дизельным приводом (дизель-механический локомотив) был испытан летом 1912 года на железной дороге Винтертур – Романшорн в Швейцарии, но не достиг коммерческого успеха. Небольшое количество опытных дизельных локомотивов было построено в ряде стран до середины 1920-х годов.

Дизель-электрический

Дизель-электрические локомотивы – это дизельные локомотивы, использующие электрическую передачу. Дизельный двигатель приводит в движение либо генератор постоянного тока (обычно, мощность которого меньше необходимой для тяги), либо генератор переменного тока с выпрямителем (обычно, мощность которого равна или превышает необходимую для тяги), выходная мощность которого обеспечивает питание тяговых двигателей, приводящих локомотив в движение. Механической связи между дизельным двигателем и колесами нет. Подавляющее большинство современных дизельных локомотивов – дизель-электрические. В 1914 году Герман Лемп, инженер-электрик компании General Electric, разработал и запатентовал надежную систему управления постоянным током (последующие усовершенствования также были запатентованы Лемпом). Конструкция Лемпа использовала единый рычаг для согласованного управления двигателем и генератором и стала прототипом систем управления всех дизель-электрических локомотивов. В 1917–1918 годах GE произвела три экспериментальных дизель-электрических локомотива, использующих систему управления Лемпа. В 1924 году в эксплуатацию был введен дизель-электрический локомотив (первоначальный номер Ель2, Юэ 001/Yu e 001). Он был спроектирован командой под руководством Юрия Ломоносова и построен в 1923–1924 годах на Maschinenfabrik Esslingen в Германии. Локомотив имел 5 движущих осей (1'E1'). После серии испытаний он эксплуатировался почти три десятилетия, с 1925 по 1954 год.

Дизель-гидравлический

Дизель-гидравлические локомотивы — это дизельные локомотивы, использующие гидравлическую передачу. В такой конструкции они применяют один или несколько гидротрансформаторов в сочетании с зубчатыми передачами и механическим конечным приводом для передачи мощности от дизельного двигателя к колёсам. Основным в мире пользователем магистральных локомотивов с гидравлической передачей была Deutsche Bundesbahn, с моделями, включая DB Class V 200 и семейство DB V 160. British Rail внедрила ряд дизель-гидравлических моделей в рамках своего Плана модернизации 1955 года: изначально это были лицензионные копии немецких разработок. В Испании Renfe использовала немецкие двухдвигательные модели с высоким отношением мощности к весу для перевозки высокоскоростных поездов с 1960-х по 1990-е годы (см. серии Renfe 340, 350, 352, 353, 354). Гидростатические системы привода также применяются на железной дороге, например, для маневровых локомотивов производства CMI Group (Бельгия). Гидростатические приводы также используются в железнодорожной технике для обслуживания путей, такой как машины для выравнивания балласта и рельсошлифовальные машины.

Газовая турбина

Газотурбинный локомотив – это локомотив с двигателем внутреннего сгорания, состоящий из газовой турбины. Двигателям внутреннего сгорания (ДВС) требуется трансмиссия для привода колес. Двигатель должен продолжать работать, когда локомотив остановлен. Механические газотурбинные локомотивы используют механическую трансмиссию для передачи мощности газовых турбин на колеса. Газотурбинный локомотив был запатентован в 1861 году Марком Антуаном Франсуа Менноном (британский патент № 1633). Нет никаких доказательств того, что локомотив был фактически построен, но конструкция включает в себя основные элементы газотурбинных локомотивов, такие как компрессор, камеру сгорания, турбину и воздушный подогреватель. В 1952 году Renault поставил прототип четырех осевого газотурбинного механического локомотива мощностью 1150 л.с., оснащенного системой производства газа и сжатого воздуха Pescara "свободной турбины", а не коаксиальным многоступенчатым компрессором, интегрированным с турбиной. В 1959 году эта модель была заменена парой шести осевых локомотивов мощностью 2400 л.с. с двумя турбинами и питанием Pescara. Несколько подобных локомотивов были построены в СССР на Харьковском локомотивном заводе. Газотурбинные электрические локомотивы (ГТЭЛ) используют газовую турбину для привода электрического генератора или альтернатора, который вырабатывает электрический ток для питания тягового двигателя, приводящего в движение колеса. В 1939 году Швейцарские федеральные железные дороги заказали Am 4/6, ГТЭЛ с максимальной мощностью двигателя от Brown Boveri. Он был завершен в 1941 году и затем прошел испытания перед вводом в регулярную эксплуатацию. Am 4/6 был первым газотурбинным электрическим локомотивом. British Rail 18000 был построен компанией Brown Boveri и поставлен в 1949 году. British Rail 18100 был построен компанией Metropolitan Vickers и поставлен в 1951 году. Третий локомотив, British Rail GT3, был построен в 1961 году. Union Pacific эксплуатировал большой парк грузовых локомотивов с турбинным приводом, начиная с 1950-х годов. Они широко использовались на дальних маршрутах и были экономически эффективны, несмотря на низкую топливную экономичность, благодаря использованию "побочных" продуктов нефтепереработки. В период расцвета железная дорога оценивала, что они обеспечивали энергией около 10% грузовых поездов Union Pacific, что было гораздо более широким применением, чем у любого другого представителя этого класса. Газовая турбина имеет ряд преимуществ перед поршневым двигателем. В ней мало движущихся частей, что снижает потребность в смазке и потенциально уменьшает затраты на техническое обслуживание, а также значительно выше отношение мощности к весу. Турбина заданной мощности также физически меньше, чем равномощный поршневой двигатель, что позволяет локомотиву быть очень мощным, не будучи чрезмерно большим. Однако мощность и эффективность турбины резко снижаются с ростом скорости вращения, в отличие от поршневого двигателя, который имеет относительно плоскую кривую мощности. Это делает системы ГТЭЛ полезными в основном для дальних скоростных перевозок. Дополнительные проблемы с газотурбинными электрическими локомотивами заключались в том, что они были очень шумными.

A gas turbine locomotive is an internal combustion engine locomotive consisting of a gas turbine. ICE engines require a transmission to power the wheels. The engine must be allowed to continue to run when the locomotive is stopped. Gas turbine mechanical locomotives use a mechanical transmission to deliver the power output of gas turbines to the wheels. A gas turbine locomotive was patented in 1861 by Marc Antoine Francois Mennons (British patent no. 1633). There is no evidence that the locomotive was actually built but the design includes the essential features of gas turbine locomotives, including compressor, combustion chamber, turbine and air pre heater. In 1952, Renault delivered a prototype four axle 1150 hp gas turbine mechanical locomotive fitted with the Pescara "free turbine" gas and compressed air producing system, rather than a co axial multi stage compressor integral to the turbine. This model was succeeded by a pair of six axle 2400 hp locomotives with two turbines and Pescara feeds in 1959. Several similar locomotives were built in USSR by Kharkov Locomotive Works. Gas turbine electric locomotives, use a gas turbine to drive an electrical generator or alternator which produced electric current powers the traction motor which drive the wheels. In 1939 the Swiss Federal Railways ordered Am 4/6, a GTEL with a of maximum engine power from Brown Boveri. It was completed in 1941, and then underwent testing before entering regular service. The Am 4/6 was the first gas turbine – electric locomotive. British Rail 18000 was built by Brown Boveri and delivered in 1949. British Rail 18100 was built by Metropolitan Vickers and delivered in 1951. A third locomotive, the British Rail GT3, was constructed in 1961. Union Pacific ran a large fleet of turbine powered freight locomotives starting in the 1950s. These were widely used on long haul routes, and were cost effective despite their poor fuel economy due to their use of "leftover" fuels from the petroleum industry. At their height the railroad estimated that they powered about 10% of Union Pacific's freight trains, a much wider use than any other example of this class. A gas turbine offers some advantages over a piston engine. There are few moving parts, decreasing the need for lubrication and potentially reducing maintenance costs, and the power to weight ratio is much higher. A turbine of a given power output is also physically smaller than an equally powerful piston engine, allowing a locomotive to be very powerful without being inordinately large. However, a turbine's power output and efficiency both drop dramatically with rotational speed, unlike a piston engine, which has a comparatively flat power curve. This makes GTEL systems useful primarily for long distance high speed runs. Additional problems with gas turbine electric locomotives included that they were very noisy.

Производство древесного газа

Некоторые локомотивы, обычно во Франции и Италии, работали на древесно-газовом генераторе.

Электрический

Электролокомотив – это локомотив, работающий исключительно от электричества. Электричество подается к движущимся поездам по (почти) непрерывному проводнику, проложенному вдоль пути, который обычно имеет одну из трех форм: контактная сеть, подвешенная к столбам или опорам вдоль пути или к конструкциям или потолкам туннелей; третья рельса, установленная на уровне рельсов; или бортовой аккумулятор. Как контактная сеть, так и система с третьей рельсой обычно используют рельсы хода в качестве обратного проводника, но в некоторых системах для этой цели используется отдельная четвертая рельса. Используемый тип электрической энергии – либо постоянный ток (DC), либо переменный ток (AC). Существуют различные способы токосъема: пантографный стержень – длинный гибкий стержень, который контактирует с проводом с помощью колеса или башмака; луковый токоприемник – рама, удерживающая длинный токосъемный стержень прижатым к проводу; пантограф – шарнирная конструкция, удерживающая токосъемные башмаки прижатыми к проводу в фиксированной геометрии; или контактный башмак – башмак, контактирующий с третьей рельсой. Из трех способов пантографный метод наиболее подходит для высокоскоростного движения. Электрические локомотивы практически повсеместно используют тяговые двигатели с осями, на которых они установлены, по одному двигателю на каждую ведущую ось. В такой конструкции одна сторона корпуса двигателя опирается на подшипники скольжения, установленные на шлифованном и полированном шейке, являющейся частью оси. Другая сторона корпуса имеет языкообразный выступ, который входит в соответствующий паз в тележке (боге), выполняя функцию устройства, воспринимающего реактивный момент, а также обеспечивая поддержку. Передача мощности от двигателя к оси осуществляется зубчатой передачей, в которой шестерня на валу двигателя зацепляется с большим зубчатым колесом на оси. Обе шестерни заключены в герметичный корпус, заполненный смазочным маслом. Тип эксплуатации, в котором используется локомотив, определяет передаточное число. Высокие передаточные числа обычно используются на грузовых локомотивах, в то время как низкие передаточные числа характерны для пассажирских локомотивов. Электричество обычно вырабатывается на крупных и относительно эффективных электростанциях, передается в железнодорожную сеть и распределяется по поездам. Некоторые электрифицированные железные дороги имеют собственные электростанции и линии электропередачи, но большинство закупают электроэнергию у электроэнергетических компаний. Железная дорога обычно обеспечивает собственные распределительные линии, коммутационные аппараты и трансформаторы. Электрические локомотивы обычно на 20% дешевле дизельных локомотивов, их затраты на техническое обслуживание на 25–35% ниже, а эксплуатационные расходы – до 50% ниже.

An electric locomotive is a locomotive powered only by electricity. Electricity is supplied to moving trains with a (nearly) continuous conductor running along the track that usually takes one of three forms: an overhead line, suspended from poles or towers along the track or from structure or tunnel ceilings; a third rail mounted at track level; or an onboard battery. Both overhead wire and third rail systems usually use the running rails as the return conductor but some systems use a separate fourth rail for this purpose. The type of electrical power used is either direct current (DC) or alternating current (AC). Various collection methods exist: a trolley pole, which is a long flexible pole that engages the line with a wheel or shoe; a bow collector, which is a frame that holds a long collecting rod against the wire; a pantograph, which is a hinged frame that holds the collecting shoes against the wire in a fixed geometry; or a contact shoe, which is a shoe in contact with the third rail. Of the three, the pantograph method is best suited for high speed operation. Electric locomotives almost universally use axle hung traction motors, with one motor for each powered axle. In this arrangement, one side of the motor housing is supported by plain bearings riding on a ground and polished journal that is integral to the axle. The other side of the housing has a tongue shaped protuberance that engages a matching slot in the truck (bogie) bolster, its purpose being to act as a torque reaction device, as well as a support. Power transfer from motor to axle is effected by spur gearing, in which a pinion on the motor shaft engages a bull gear on the axle. Both gears are enclosed in a liquid tight housing containing lubricating oil. The type of service in which the locomotive is used dictates the gear ratio employed. Numerically high ratios are commonly found on freight units, whereas numerically low ratios are typical of passenger engines. Electricity is typically generated in large and relatively efficient generating stations, transmitted to the railway network and distributed to the trains. Some electric railways have their own dedicated generating stations and transmission lines but most purchase power from an electric utility. The railway usually provides its own distribution lines, switches and transformers. Electric locomotives usually cost 20% less than diesel locomotives, their maintenance costs are 25–35% lower, and cost up to 50% less to run.

Прямое течение

Самые ранние системы были системами постоянного тока. Первый электрический пассажирский поезд был представлен Вернером фон Сименсом в Берлине в 1879 году. Локомотив приводился в движение двигателем мощностью 2,2 кВт последовательного возбуждения, а поезд, состоящий из локомотива и трех вагонов, достигал скорости 13 км/ч. В течение четырех месяцев поезд перевез 90 000 пассажиров по кольцевой трассе длиной 300 метров. Электричество (150 В постоянного тока) подавалось через третий изолированный рельс, расположенный между основными рельсами. Для сбора электричества использовался контактный ролик. Первая в мире электрическая трамвайная линия открылась в Лихтерфельде, недалеко от Берлина, в Германии, в 1881 году. Она была построена Вернером фон Сименсом (см. Гросс-Лихтерфельдский трамвай и Берлинская уличная железная дорога). Волкская электрическая железная дорога открылась в 1883 году в Брайтоне и является старейшей сохранившейся электрической железной дорогой. Также в 1883 году трамваи Мёдлинг и Хинтербрюль открылись недалеко от Вены в Австрии. Это был первый в мире регулярный маршрут, работающий от контактной сети. Пять лет спустя, в 1888 году, в США электрические вагоны впервые появились на Richmond Union Passenger Railway, с использованием оборудования, разработанного Фрэнком Дж. Спрагом. Первая электрифицированная подземная линия – City & South London Railway – была построена в связи с пунктом в ее учредительном акте, запрещающем использование паровой тяги. Она открылась в 1890 году, используя электрические локомотивы, построенные компанией Mather & Platt. Электричество быстро стало предпочтительным источником питания для метро, чему способствовало изобретение Спрагом в 1897 году системы управления поездами с множественным приводом. Первым применением электрификации на магистральной линии стал четырехмильный участок Балтиморской кольцевой линии железной дороги Baltimore & Ohio (B&O) в 1895 году, соединяющий основную часть B&O с новой линией в Нью-Йорк через серию туннелей в окрестностях центра Балтимора. Первоначально использовались три секции Bo+Bo, расположенные в южной части электрифицированного участка; они сцеплялись с локомотивом и поездом и тянули их через туннели. Постоянный ток использовался в более ранних системах. Эти системы постепенно были заменены системами переменного тока. Сегодня почти все магистральные железные дороги используют системы переменного тока. Системы постоянного тока в основном используются в городском транспорте, таком как метро, легкорельсовый транспорт и трамваи, где потребность в электроэнергии меньше.

The earliest systems were DC systems. The first electric passenger train was presented by Werner von Siemens at Berlin in 1879. The locomotive was driven by a 2.2 kW, series wound motor, and the train, consisting of the locomotive and three cars, reached a speed of 13 km/h. During four months, the train carried 90,000 passengers on a 300 metre long (984 feet) circular track. The electricity (150 V DC) was supplied through a third insulated rail between the tracks. A contact roller was used to collect the electricity. The world's first electric tram line opened in Lichterfelde near Berlin, Germany, in 1881. It was built by Werner von Siemens (see Gross Lichterfelde Tramway and Berlin Straßenbahn). The Volk's Electric Railway opened in 1883 in Brighton, and is the oldest surviving electric railway. Also in 1883, Mödling and Hinterbrühl Tram opened near Vienna in Austria. It was the first in the world in regular service powered from an overhead line. Five years later, in the U. S. electric trolleys were pioneered in 1888 on the Richmond Union Passenger Railway, using equipment designed by Frank J. Sprague. The first electrically worked underground line was the City & South London Railway, prompted by a clause in its enabling act prohibiting use of steam power. It opened in 1890, using electric locomotives built by Mather & Platt. Electricity quickly became the power supply of choice for subways, abetted by the Sprague's invention of multiple unit train control in 1897. The first use of electrification on a main line was on a four mile stretch of the Baltimore Belt Line of the Baltimore & Ohio (B&O) in 1895 connecting the main portion of the B&O to the new line to New York through a series of tunnels around the edges of Baltimore's downtown. Three Bo+Bo units were initially used, at the south end of the electrified section; they coupled onto the locomotive and train and pulled it through the tunnels. DC was used on earlier systems. These systems were gradually replaced by AC. Today, almost all main line railways use AC systems. DC systems are confined mostly to urban transit such as metro systems, light rail and trams, where power requirement is less.

Переключающийся ток

Первый практический электрический локомотив переменного тока был разработан Чарльзом Брауном, работавшим в то время в Oerlikon в Цюрихе. В 1891 году Браун продемонстрировал передачу энергии на большие расстояния, используя трехфазный переменный ток, между гидроэлектростанцией в Лауффене-ам-Неккаре и Франкфуртом-на-Майне-Западе, на расстояние 280 км. Используя опыт, полученный во время работы над конструкциями паровых электрических локомотивов у Жана Хайльмана, Браун заметил, что трехфазные двигатели имеют более высокое отношение мощности к весу, чем двигатели постоянного тока, и из-за отсутствия коллектора их проще производить и обслуживать. Однако они были намного больше, чем двигатели постоянного тока того времени, и их нельзя было устанавливать в подвагонные тележки: их можно было размещать только внутри кузова локомотива. В 1894 году венгерский инженер Кальман Кандо разработал новый тип трехфазных асинхронных электродвигателей и генераторов для электрических локомотивов. Конструкции Кандо в начале 1894 года впервые были применены в короткой трехфазной трамвайной линии в Эвиан-ле-Бен (Франция), строительство которой велось между 1896 и 1898 годами. В 1918 году Кандо изобрел и разработал ротационный фазовый преобразователь, позволивший электрическим локомотивам использовать трехфазные двигатели, питаемые через один воздушный провод, несущий простую промышленную частоту (50 Гц) однофазного переменного тока национальных сетей высокого напряжения. В 1896 году Oerlikon установил первый коммерческий образец системы на трамвайной линии в Лугано. Каждый 30-тонный локомотив имел два двигателя, работающих на трехфазном напряжении 750 В, частотой 40 Гц, питаемых от двух воздушных линий. Трехфазные двигатели работают с постоянной скоростью и обеспечивают регенеративное торможение, а также хорошо подходят для участков с большими уклонами, и первые трехфазные магистральные локомотивы были поставлены Брауном (к тому времени в партнерстве с Уолтером Бовери) в 1899 году на 40-километровую линию Бургдорф — Тун в Швейцарии. Первое применение промышленной частоты однофазного переменного тока для локомотивов было осуществлено компанией Oerlikon в 1901 году по проекту Ханса Бена Эшенбурга и Эмиля Хубера Стоккара. Установка на линии Зеебах — Веттинген Швейцарских федеральных железных дорог была завершена в 1904 году. Локомотивы напряжением 15 кВ, частотой 50 Гц и весом 48 тонн использовали трансформаторы и роторные преобразователи для питания тяговых двигателей постоянного тока. Итальянские железные дороги первыми в мире ввели электрическую тягу на всей протяженности магистральной линии, а не только на коротком участке. Линия Вальтеллина протяженностью 106 км была открыта 4 сентября 1902 года по проекту Кандо и команды завода Ganz. Трехфазная двухпроводная система использовалась на нескольких железных дорогах Северной Италии и стала известна как «итальянская система». В 1905 году Кандо был приглашен возглавить управление Società Italiana Westinghouse и руководил разработкой нескольких итальянских электрических локомотивов. Аккумуляторные локомотивы, работающие на маршрутах общего пользования, могут подзаряжаться, поглощая энергию динамического торможения. Первый известный электрический локомотив был построен в 1837 году химиком Робертом Дэвидсоном из Абердина и приводился в действие гальваническими элементами (аккумуляторами). Позже Дэвидсон построил более крупный локомотив под названием «Гальвани», который был выставлен на выставке Королевского шотландского общества искусств в 1841 году. Семитонное транспортное средство имело два двигателя прямого привода с нежелательным приводом, с фиксированными электромагнитами, действующими на железные стержни, прикрепленные к деревянному цилиндру на каждой оси, и простыми коллекторами. Он тянул груз в шесть тонн со скоростью четыре мили в час (6 километров в час) на определенное расстояние. Он был испытан на железной дороге Эдинбурга и Глазго в сентябре следующего года, но ограниченная мощность аккумуляторов не позволила его широко использовать. Другой пример был на медных рудниках Кеннекотта, Латуш, Аляска, где в 1917 году были расширены подземные пути транспортировки, чтобы обеспечить работу двух аккумуляторных локомотивов весом 4,5 тонны. В 1928 году Kennecott Copper заказала четыре электрических локомотива серии 700 с бортовыми аккумуляторами. Эти локомотивы весом 85 тонн работали от 750-вольтной воздушной контактной сети с значительно большей дальностью при работе от аккумуляторов. Локомотивы прослужили несколько десятилетий, используя технологию никель-железных аккумуляторов (Эдисона). Аккумуляторы были заменены свинцово-кислотными, и вскоре после этого локомотивы были выведены из эксплуатации. Все четыре локомотива были переданы в музеи, но один был разобран на металлолом. Остальные можно увидеть на Boone and Scenic Valley Railroad в Айове и в Western Railway Museum в Рио-Висте, Калифорния. Toronto Transit Commission ранее эксплуатировала аккумуляторный электролокомотив, построенный Nippon Sharyo в 1968 году и выведенный из эксплуатации в 2009 году. London Underground регулярно использует аккумуляторные электролокомотивы для общего обслуживания.

The first practical AC electric locomotive was designed by Charles Brown, then working for Oerlikon, Zürich. In 1891, Brown had demonstrated long distance power transmission, using three phase AC, between a hydro electric plant at Lauffen am Neckar and Frankfurt am Main West, a distance of 280 km. Using experience he had gained while working for Jean Heilmann on steam electric locomotive designs, Brown observed that three phase motors had a higher power to weight ratio than DC motors and, because of the absence of a commutator, were simpler to manufacture and maintain. However, they were much larger than the DC motors of the time and could not be mounted in underfloor bogies: they could only be carried within locomotive bodies. In 1894, Hungarian engineer Kálmán Kandó developed a new type 3 phase asynchronous electric drive motors and generators for electric locomotives. Kandó's early 1894 designs were first applied in a short three phase AC tramway in Evian les Bains (France), which was constructed between 1896 and 1898. In 1918, Kandó invented and developed the rotary phase converter, enabling electric locomotives to use three phase motors whilst supplied via a single overhead wire, carrying the simple industrial frequency (50 Hz) single phase AC of the high voltage national networks. In 1896, Oerlikon installed the first commercial example of the system on the Lugano Tramway. Each 30 tonne locomotive had two motors run by three phase 750 V 40 Hz fed from double overhead lines. Three phase motors run at constant speed and provide regenerative braking, and are well suited to steeply graded routes, and the first main line three phase locomotives were supplied by Brown (by then in partnership with Walter Boveri) in 1899 on the 40 km Burgdorf—Thun line, Switzerland. The first implementation of industrial frequency single phase AC supply for locomotives came from Oerlikon in 1901, using the designs of Hans Behn Eschenburg and Emil Huber Stockar; installation on the Seebach Wettingen line of the Swiss Federal Railways was completed in 1904. The 15 kV, 50 Hz , 48 tonne locomotives used transformers and rotary converters to power DC traction motors. Italian railways were the first in the world to introduce electric traction for the entire length of a main line rather than just a short stretch. The 106 km Valtellina line was opened on 4 September 1902, designed by Kandó and a team from the Ganz works. The three phase two wire system was used on several railways in Northern Italy and became known as "the Italian system". Kandó was invited in 1905 to undertake the management of Società Italiana Westinghouse and led the development of several Italian electric locomotives. Battery locomotives in over the road service can recharge while absorbing dynamic braking energy. The first known electric locomotive was built in 1837 by chemist Robert Davidson of Aberdeen, and it was powered by galvanic cells (batteries). Davidson later built a larger locomotive named Galvani, exhibited at the Royal Scottish Society of Arts Exhibition in 1841. The seven ton vehicle had two direct drive reluctance motors, with fixed electromagnets acting on iron bars attached to a wooden cylinder on each axle, and simple commutators. It hauled a load of six tons at four miles per hour (6 kilometers per hour) for a distance of It was tested on the Edinburgh and Glasgow Railway in September of the following year, but the limited power from batteries prevented its general use. Another example was at the Kennecott Copper Mine, Latouche, Alaska, where in 1917 the underground haulage ways were widened to enable working by two battery locomotives of 4 1/2 tons. In 1928, Kennecott Copper ordered four 700 series electric locomotives with on board batteries. These locomotives weighed 85 tons and operated on 750 volt overhead trolley wire with considerable further range whilst running on batteries. The locomotives provided several decades of service using Nickel–iron battery (Edison) technology. The batteries were replaced with lead acid batteries, and the locomotives were retired shortly afterward. All four locomotives were donated to museums, but one was scrapped. The others can be seen at the Boone and Scenic Valley Railroad, Iowa, and at the Western Railway Museum in Rio Vista, California. The Toronto Transit Commission previously operated a battery electric locomotive built by Nippon Sharyo in 1968 and retired in 2009. London Underground regularly operates battery electric locomotives for general maintenance work.

Атомно-электрические

В начале 1950-х годов Лайл Борст из Университета Юты получил финансирование от различных американских железнодорожных компаний и производителей для изучения возможности создания электровоза с электрическим приводом, в котором бортовой атомный реактор производил бы пар для выработки электроэнергии. В то время атомная энергия была недостаточно изучена, и Борст полагал, что основным препятствием является стоимость урана. В атомном локомотиве Борста центральный отсек должен был содержать 200-тонную реакторную камеру и стальные стены толщиной 5 футов для предотвращения выброса радиоактивности в случае аварии. Он оценил стоимость производства атомных локомотивов с двигателями мощностью 7000 л.с. примерно в 1 200 000 долларов за каждый. В результате поезда с ядерными генераторами на борту в целом были признаны нецелесообразными из-за чрезмерно высоких затрат.

Электрические топливные элементы

В 2002 году в Валь-д'Ор, Квебек, был продемонстрирован первый горный локомотив весом 3,6 тонны и мощностью 17 кВт, работающий на водороде (топливных элементах). В 2007 году в Као-сюн, Тайвань, был запущен в эксплуатацию учебный мини-гидрайл. Railpower GG20B – еще один пример электровоза с топливными элементами.

Гибридные локомотивы

Существует множество различных типов гибридных или двухрежимных локомотивов, использующих два или более типов тяговой мощности. Наиболее распространенными гибридами являются электродизельные локомотивы, которые могут работать как от внешнего источника электроэнергии, так и от бортового дизельного двигателя. Они используются для обеспечения непрерывного движения по маршрутам с частичной электрификацией. Примерами служат EMD FL9 и Bombardier ALP 45DP.

Использование

Локомотивы используются в железнодорожном транспорте в трех основных целях: для перевозки пассажирских поездов, грузовых поездов и для маневровой работы (англ. shunting). Грузовые локомотивы обычно проектируются для обеспечения высокого стартового тягового усилия и высокой устойчивой мощности. Это позволяет им трогать с места и перемещать длинные, тяжелые составы, но обычно достигается за счет относительно невысокой максимальной скорости. Пассажирские локомотивы обычно развивают меньшее стартовое тяговое усилие, но способны работать на высоких скоростях, необходимых для соблюдения расписания движения пассажирских поездов. Локомотивы смешанного типа (англ. general purpose or road switcher locomotives), предназначенные как для пассажирских, так и для грузовых перевозок, не развивают такого тягового усилия, как грузовые локомотивы, но способны тянуть более тяжелые составы, чем пассажирские локомотивы. Большинство паровозов имеют двигатели с возвратно-поступательным движением, при этом поршни соединены с ведущими колесами посредством шатунов, без промежуточной коробки передач. Это означает, что сочетание стартового тягового усилия и максимальной скорости существенно зависит от диаметра ведущих колес. Паровозы, предназначенные для грузовых перевозок, обычно имеют ведущие колеса меньшего диаметра, чем пассажирские локомотивы. В дизель-электрических и электрических локомотивах система управления между тяговыми двигателями и осями адаптирует выходную мощность к рельсам для грузовых или пассажирских перевозок. Пассажирские локомотивы могут включать в себя дополнительные функции, такие как питание головного вагона (также называемое "энергоснабжением для комфорта" или электрическим питанием поезда) или парогенератор. Некоторые локомотивы специально разработаны для работы на железных дорогах с крутым уклоном и оснащены расширенными дополнительными тормозными механизмами, а иногда и зубчато-реечной передачей. Паровозы, построенные для крутых железных дорог с зубчатой передачей, часто имеют котел, наклоненный относительно рамы локомотива, чтобы котел оставался примерно горизонтальным на крутых уклонах. Локомотивы также используются в некоторых высокоскоростных поездах. Некоторые из них эксплуатируются в сцепке "тяни-толкай" с моторными вагонами управления на другом конце состава, которые часто имеют кабину такой же конструкции, как и кабина локомотива; примерами таких поездов с обычными локомотивами являются Railjet и Intercity 225. Многие высокоскоростные поезда, включая все TGV, многие Talgo (250 / 350 / Avril / XXI), некоторые Korea Train Express, ICE 1/ICE 2 и Intercity 125, используют специальные головные вагоны, в которых нет мест для пассажиров и которые технически являются специализированными однокабинными локомотивами. Отличие от обычных локомотивов заключается в том, что эти головные вагоны являются неотъемлемой частью состава и не предназначены для работы с другими типами пассажирских вагонов. С другой стороны, многие высокоскоростные поезда, такие как сеть Синкансен, вообще не используют локомотивы. Вместо локомотивов они используют электропоезда (ЭП) или дизель-поезда (ДП) – пассажирские вагоны, которые также оснащены тяговыми двигателями и силовым оборудованием. Использование специальных головных вагонов позволяет добиться высокого качества хода и меньшего количества электрического оборудования; но ЭП имеют меньшую осевую нагрузку, что снижает затраты на техническое обслуживание, а также обладают более высоким ускорением и большей пассажировместимостью. Некоторые поезда, включая TGV PSE, TGV TMST и TGV V150, используют как непассажирские головные вагоны, так и дополнительные пассажирские моторные вагоны.

There are three main uses of locomotives in rail transport operations: for hauling passenger trains, freight trains, and for switching (UK English: shunting). Freight locomotives are normally designed to deliver high starting tractive effort and high sustained power. This allows them to start and move long, heavy trains, but usually comes at the cost of relatively low maximum speeds. Passenger locomotives usually develop lower starting tractive effort but are able to operate at the high speeds required to maintain passenger schedules. Mixed traffic locomotives (US English: general purpose or road switcher locomotives) meant for both passenger and freight trains do not develop as much starting tractive effort as a freight locomotive but are able to haul heavier trains than a passenger locomotive. Most steam locomotives have reciprocating engines, with pistons coupled to the driving wheels by means of connecting rods, with no intervening gearbox. This means the combination of starting tractive effort and maximum speed is greatly influenced by the diameter of the driving wheels. Steam locomotives intended for freight service generally have smaller diameter driving wheels than passenger locomotives. In diesel electric and electric locomotives the control system between the traction motors and axles adapts the power output to the rails for freight or passenger service. Passenger locomotives may include other features, such as head end power (also referred to as hotel power or electric train supply) or a steam generator. Some locomotives are designed specifically to work steep grade railways, and feature extensive additional braking mechanisms and sometimes rack and pinion. Steam locomotives built for steep rack and pinion railways frequently have the boiler tilted relative to the locomotive frame, so that the boiler remains roughly level on steep grades. Locomotives are also used on some high speed trains. Some of them are operated in push pull formation with trailer control cars at another end of a train, which often have a cabin with the same design as a cabin of locomotive; examples of such trains with conventional locomotives are Railjet and Intercity 225. Also many high speed trains, including all TGV, many Talgo (250 / 350 / Avril / XXI), some Korea Train Express, ICE 1/ICE 2 and Intercity 125, use dedicated power cars, which do not have places for passengers and technically are special single ended locomotives. The difference from conventional locomotives is that these power cars are integral part of a train and are not adapted for operation with any other types of passenger coaches. On the other hand, many high speed trains such as the Shinkansen network never use locomotives. Instead of locomotive like power cars, they use electric multiple units (EMUs) or diesel multiple units (DMUs) – passenger cars that also have traction motors and power equipment. Using dedicated locomotive like power cars allows for a high ride quality and less electrical equipment;
but EMUs have less axle weight, which reduces maintenance costs, and EMUs also have higher acceleration and higher seating capacity. Also some trains, including TGV PSE, TGV TMST and TGV V150, use both non passenger power cars and additional passenger motor cars.

Размещение колес

Схема компоновки колес локомотива описывает количество его колесных пар; к распространенным методам относятся система обозначения колесных пар AAR, классификация UIC и система Уайта.

Локомотивы с дистанционным управлением

Во второй половине двадцатого века в эксплуатацию начали поступать локомотивы с дистанционным управлением, которыми оператор управляет извне, не находясь в кабине. Главное преимущество заключается в том, что один оператор может контролировать загрузку зерна, угля, гравия и других сыпучих грузов в вагоны, а также перемещать состав по мере необходимости. Благодаря этому загрузка или разгрузка локомотива происходит примерно в три раза быстрее.