Локомотив

ЛОКОМОТИВ в горном деле (от латинского loсо moveo — сдвигаю с места * а. loсоmotive; н. Lokomotive; ф. loсоmotive; и. loсоmotora) — силовое самоходное тяговое средство шахтного подземного или карьерного рельсового транспорта, служащее для передвижения по рельсам вагонеток или вагонов. В зависимости от вида первичного источника энергии локомотивы делятся на тепловые, электрические и механические. Тепловые локомотивы — карьерные паровозы, тепловозы, мотовозы и шахтные (рудничные) дизелевозы — имеют собственную силовую установку (паровую машину или двигатель внутреннего сгорания). К электрическим локомотивам относятся шахтные и карьерные электровозы, а также карьерные тяговые агрегаты. Механические локомотивы — шахтные гировозы, силовой установкой которых является раскрученный маховик. Кроме основных типов локомотивов в карьерах применяют комбинированные локомотивы (дизель- электровозы, дизель-аккумуляторные электровозы). Функции локомотивов выполняют также моторные думпкары, входящие в состав тягового агрегата. На шахтах иногда используют воздуховозы — подземные локомотивы с пневматическим двигателем, питаемым от размещённых на локомотиве баллонов со сжатым воздухом.

Локомотивы различаются по конструктивным признакам и особенностям отдельных узлов и систем (ходовой части, типу привода колёсных пар, ширине колеи, расположению кабины, системам управления и торможения и т.п.). Механическая часть локомотива состоит в основном из несущей рамы с одной или двумя кабинами, ходовой части, рессорного подвешивания, тяговой передачи, тормозной системы, а также тягово-сцепных устройств. Основные параметры локомотивов: сцепная масса, сила тяги, габариты (длина, высота, ширина), скорость, мощность, тормозная сила, энергоёмкость (для локомотивов с автономным источником энергии), уровень исполнения взрывозащиты (для шахтных локомотивов), конструкционная скорость. У электровозов также различают силу тяги, мощность и скорость часового и длительного режимов работы тяговых электродвигателей. К основным параметрам шахтных дизелевозов относят также содержание токсичных веществ в выхлопных газах и способ передачи усилия двигателя на колёсные пары. Карьерные электровозы и тяговые агрегаты характеризуются родом тока (постоянным или переменным) и напряжением, тепловозы — типом передачи. Некоторые параметры и конструктивное исполнение отечественных локомотивов определены рядом нормативных документов, включая отечественные стандарты и стандарты СЭВ по общим техническим требованиям и безопасности. Основными критериями выбора локомотива в конкретных условиях применения служат величина грузопотока и наличие или отсутствие взрывчатой среды (для шахтных локомотивов). Последнее определяет уровень исполнения взрывозащиты шахтных локомотивов.

На шахтах CCCP с помощью локомотивов осуществляется преобладающий объём перевозок по главным выработкам. В основе парка локомотивов угольных шахт — аккумуляторные электровозы (около 70%), рудных шахт — контактные (около 100%). Контактные электровозы — локомотивы, питаемые от внешнего источника электроэнергии постоянного тока посредством контактного (троллейного) провода и рельсовой цепи, аккумуляторные — от тяговой аккумуляторной батареи, установленной на самом электровозе. Используются также бесконтактные электровозы переменного тока повышенной частоты (5 кГц), получающие электроэнергию за счёт индуктивной связи токоприёмника локомотива с кабельной тяговой сетью, и комбинированного или смешанного питания локомотива (контактно-аккумуляторные, гироконтактные, контактно-кабельные).

Управляют тяговыми электродвигателями шахтных электровозов изменением на них величины напряжения — реостатным способом, за счёт падения напряжения источника питания на пусковых резисторах, включённых последовательно с двигателями; секционированием тяговой батареи в сочетании с последовательно-параллельным соединением двигателей и ослаблением их поля; тиристорным импульсным способом, при котором изменение величины напряжения на двигателе происходит за счёт регулируемого периодического прерывания цепи их питания.

Рудничные дизелевозы имеют механическую ступенчатую или гидравлическую бесступенчатую тяговую передачу на ведущие оси и оборудованы дополнительно противопожарной системой, устройствами нейтрализации, очистки и охлаждения выхлопных газов, ёмкостями для топлива и воды.

По тяговым свойствам все шахтные локомотивы подразделяются на лёгкие (сцепная масса от 2 до 5 т), средние (от 6 до 10 т) и тяжёлые (свыше 10 т). В CCCP они изготавливаются на стандартные колеи 600, 750 и 900 мм и на колеи 550 и 575 мм (для старых шахт). Контактные электровозы имеют исполнение рудничное нормальное (PH), сцепную массу 3, 4, 7, 10 и 14 т и рассчитаны на длительные скорости от 9 до 19 км/ч и номинальное напряжение 250 В. Аккумуляторные электровозы (сцепной массой 2, 5, 7, 10, 14, 16 и 28 т) рассчитаны на длительные скорости от 5,5 до 18 км/ч; исполнение — рудничное повышенной надёжности против взрыва (РП). Электровозы массой 5 и 7 т выпускаются также и во взрывобезопасном исполнении. Перспективным параметрическим рядом локомотивов, разработанным в CCCP для угольных шахт, предусмотрены машины сцепной массой 7, 10, 14 и 28 (2х14) т. В соответствии с ним выпускают аккумуляторные электровозы типов АРП7, APB7, АРП10, АРП14 и АРП28 (на базе 2 секций АРП14), контактные электровозы К10 и К14 (М). Аккумуляторные электровозы имеют повышенную энергоёмкость тяговых батарей и экономичные безреостатные системы управления тяговыми двигателями (секционирование батарей, на электровозах, АРП14 и АРП28 — тиристорные системы управления). За рубежом применяют шахтные контактные электровозы со сцепной массой от 4 до 45 т при длительных скоростях от 5 до 25 км/ч и аккумуляторные электровозы с соответствующими параметрами от 3 до 45 т и от 5 до 15 км/ч. Использование шахтных локомотивов различного исполнения регламентируется правилами безопасности. Так, отечественными правилами в угольных шахтах, опасных по газу или пыли, предусматривается использование взрывобезопасных локомотивов. При соблюдении ряда условий допускается применение локомотивов исполнения PH на шахтах I и II категорий по газу или опасных по пыли, а исполнения РП — на шахтах любой категории по газу. Во всех выработках шахт, неопасных по газу или пыли, можно эксплуатировать электровозы исполнения РП. Соответствующими нормативами ряда зарубежных стран (при соблюдении дополнительных мер безопасности) локомотивы исполнения PH допускаются к применению в выработках со свежей струёй воздуха угольных шахт любой категории по газу.

Современная тенденция развития шахтных электровозов — переход на тиристорные импульсные системы управления тяговыми двигателями с применением микропроцессорной техники. Такие системы, в частности, обеспечивают более высокие тяговые свойства; позволяют автоматизировать операции управления (вплоть до автоматического вождения) и осуществлять управление электровозами по системе многих единиц. Последнее даёт возможность рассредоточить электровозы равномерно по длине поезда и в ряде случаев отказаться от однорамных электровозов с большой сцепной массой, а в итоге применить высокоэффективную поточную технологию откатки. Для угольных шахт III категории и сверхкатегорных по метану перспективным является также использование бесконтактных электровозов переменного тока, исполнение которых приближается к рудничному взрывобезопасному, а производительность по сравнению с аккумуляторными локомотивами выше при меньших эксплуатационных расходах.

Основу современного локомотивного парка на карьерах CCCP и за рубежом составляют электровозы, тепловозы и тяговые агрегаты. Конструктивно карьерные локомотивы различаются по числу осей и форме кузова. Как правило, в зависимости от сцепной массы они выполняются четырёхосными или шестиосными с тем, чтобы нагрузка на ось не превышала 250-300 кН. Современные карьерные локомотивы выпускаются с кузовом вагонного типа (с размещением кабины машиниста по обоим концам кузова), что облегчает расположение на нём оборудования, а также с кузовом будочного типа с кабиной машиниста в средней части локомотива. Условия работы предъявляют к карьерным локомотивам специфические требования: способность преодолевать затяжные участки пути с уклонами 40-50‰без значительного снижения скорости, проходить кривые участки пути радиусом до 80-100 м; готовность к работе в различных климатические зонах. Тяговые агрегаты — комбинированные локомотивы, состоящие из несколько тяговых секций (электровозы управления, дизельной секции и моторного думпкара), в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к карьерным локомотивам. Они выполняются в виде контактных или дизель-контактных локомотивов. При работе в контактном режиме (во время движения по выездным путям тяжёлого профиля) двигатели всех секций агрегата питаются электроэнергией от контактной сети. Мощность локомотивов в этом режиме 6500 кВт. При движении по неэлектрифицированным путям на уступах карьера энергия к двигателям поступает от дизель-генераторной установки (мощность дизеля 1100-1500 кВт). Сцепная масса современных тяговых агрегатов достигает 360-370 т. Карьерные электровозы имеют наибольшую удельную мощность (отнесённую к единице сцепной массы). Это позволяет реализовать большие скорости движения и большие ускорения при трогании с места, использовать локомотивы этого типа при значительной глубине карьеров. Коэффициент полезного действия современных карьерных электровозов 0,84-0,86. Во время частой погрузки и разгрузки вагонов, что характерно для технологии открытой разработки, электровозы практически не расходуют электроэнергию. Однако необходимость в контактной сети затрудняет ведение горных работ, особенно на передвижных уступных и отвальных путях. При электрификации на постоянном токе используется напряжение 1650 и 3300 В на шинах подстанции, на переменном токе — система однофазного тока промышленной частоты 50 Гц напряжением 10 кВ. Сцепная масса карьерных электровозов 150-180 т, мощность 2000-2500 кВт.

Карьерные тепловозы, имеющие собственную силовую установку, эффективно используют в неэлектрифицированных районах, на карьерах большой протяжённости при глубине до 80-100 м. На этих локомотивах применяется электромеханическая передача — двигатель внутреннего сгорания (дизель) вращает генератор постоянного или переменного тока, который питает электроэнергией тяговые электродвигатели. Коэффициент полезного действия тепловозов 24-26%. Скорость движения тепловозов на уклонах (30-40‰) ограничена мощностью силовой установки и составляет 8-10 км/ч. Сцепная масса карьерных тепловозов достигает 180 т, мощность 1500 кВт.

Развитие конструкций карьерных локомотивов связано с увеличением мощности тяговых двигателей, созданием тяговых двигателей переменного тока, применением систем плавного регулирования тягового усилия, повышением напряжения в контактной сети.

Создание первого горного локомотива связывается с реализацией идеи немецкого инженера В. Сименса о возможности применения электрической тяги на транспорте, высказанной им в 1867. В 1879 им был изготовлен шахтный электровоз. 1 сентября 1882 впервые в мире контактный электровоз массой 4 т ввели в эксплуатацию на каменноугольной шахте "Цаукероде" (Германия). К началу 20 века относится начало использования локомотивов в карьерах Германии и США. В 20-х годах 20 века было налажено серийное производство отечественных шахтных электровозов. В CCCP в 30-х годах в качестве карьерных локомотивов получают распространение паровозы, в конце 50-х годов — тепловозы, с конца 40-х годов — электровозы, а с конца 60-х годов — тяговые агрегаты.