ЧС7: история, устройство и характеристики электровоза

ЧС7 — двухсекционный восьмиосный пассажирский электровоз постоянного тока для линий 3 кВ. Его задача — вести длинные и тяжёлые поезда на участках, где разгон после остановки и подъёмы требуют устойчивой тяги. Разберём, как устроены его восемь тяговых двигателей, почему в силовой цепи три схемы соединения и что показали испытания первых машин.

Зачем понадобился ЧС7

К началу 1980-х железным дорогам требовался локомотив для тяжёлых пассажирских поездов на линиях постоянного тока. ЧС6 и ЧС200 были восьмиосными электровозами, но проектировались с иными приоритетами. ЧС7 создавали как более универсальную машину для регулярной работы с длинными составами, в том числе на сложном профиле.

Представьте маршрут с остановками и затяжным подъёмом. После станции локомотиву нужно плавно тронуть состав, затем без перегрева резисторов набрать скорость и удержать тягу на подъёме. Именно здесь важны последовательное и параллельное соединения двигателей, охлаждение пуско-тормозных резисторов и восемь ведущих осей.

Что изменили в конструкции

• Восемь тяговых двигателей работают в нескольких схемах соединения; это помогает согласовать силу тяги со скоростью.

• Пуско-тормозные резисторы получили принудительное охлаждение, необходимое при длительном разгоне и реостатном торможении.

• Силовая схема, вспомогательные машины и размещение оборудования были переработаны для регулярной работы с тяжёлыми пассажирскими составами.

• На двухсекционном электровозе установлены два токоприёмника; длина по осям автосцепок составляет 34 040 мм.

Первые электровозы вышли в 1983 году. По данным ВНИИЖТ, всего построен 321 локомотив серии. Заводское семейство обозначалось 82Е; варианты исполнения менялись по мере производства.

Основные параметры и принцип работы

Электровоз состоит из двух секций с четырьмя ведущими осями в каждой. Восемь коллекторных тяговых двигателей подключаются по одной из трёх схем: последовательно, двумя параллельными ветвями по четыре двигателя или четырьмя параллельными парами. Безреостатные ходовые позиции соответствуют 20-й, 38-й и 56-й позициям контроллера. Между ними резисторы позволяют менять ток и тягу без резкого рывка.

На крыше находятся пуско-тормозные резисторы с принудительным охлаждением. При электрическом торможении двигатели работают генераторами, а выработанная энергия рассеивается в этих резисторах. Это реостатное торможение, а не рекуперация в контактную сеть.

В каждой секции расположены кабина, машинное отделение, две двухосные тележки и собственные вспомогательные машины. Тяговые двигатели типа 1AL4846dt имеют длительную мощность по 770 кВт; суммарная мощность на валах восьми двигателей — 6 160 кВт.

Как менялась серия

Первые 20 электровозов заводского исполнения 82Е1 поступили в 1983 году. В следующем году построили ещё 20 машин, а в 1985-м — 35. На этих ранних партиях завод последовательно менял указатель позиций, элементы кузова и электрооборудование. Отличия между выпусками важны при чтении схем и обслуживании конкретной машины.

В 1986–1990 годах выпуск продолжался крупными партиями. Менялись уплотнение межсекционного перехода, расположение трубопроводов и воздухозаборов, оборудование кабины. На машинах более позднего выпуска применили иной обогрев лобовых стёкол. Эти различия не превращают ЧС7 в отдельные серии: речь идёт о заводских исполнениях одной модели.

После распада СССР поставки стали единичными или небольшими партиями. Архивная хронология указывает машину № 286, построенную для России в 1992 году, последующие поставки № 287–316 на Украину и финальные пять машин № 317–321. Суммарно это соответствует 321 электровозу, указанному ВНИИЖТ.

При сравнении фотографий стоит смотреть не только на окраску, но и на фары, лобовые стёкла, воздухозаборники и оборудование кабины. Эти детали помогают определить исполнение, хотя отдельные узлы могли меняться и при ремонтах.

Что выявили испытания

Ранние машины проходили тягово-энергетические, тормозные, аэродинамические и динамические испытания. Перечень ниже воспроизводит данные архивного материала: это результаты конкретных образцов и условий испытания, а не характеристика каждого ЧС7 в эксплуатации.

С ноября 1983 по март 1984 года на испытательном кольце ВНИИЖТ исследовали ЧС7–007 и ЧС7–014. Испытания выявили замечания к тяговым характеристикам, защите, вентиляции и отдельным узлам кузова. Ниже приведены основные результаты, зафиксированные в архивном материале.

Замечания к тяговому и силовому оборудованию

• Отличие характеристик тягового режима при ослабленном возбуждении от расчетных.

• Неработоспособная система защиты от боксования.

• Недостаточное сечение токоведущих элементов крышевого оборудования.

• Неустойчивый характер работы защиты силового оборудования.

Замечания к кузову и оборудованию

• Неправильное расположение фонарей освещения ходовых частей, приводившее к их разрушению при прохождении кривых.

• Установка межкузовных переходных площадок и электрических соединений выполнена без учета взаимного перемещения секций электровоза в продольном направлении.

• Регулировочные устройства колесных датчиков скорости не имели надежной фиксации.

• Межкузовной кабель отопления поезда расположен низко по отношению к земле и не имел защиты от механических повреждений.

• Механизм привода жалюзи имел выступающие детали внутри кузова, затрудняющие проход по коридору.

Тормозные испытания

• При торможении электровоза краном вспомогательного тормоза № 254 со скорости 120 км/ч получен тормозной путь на площадке равный 1090 м.

• При торможении электровоза краном машиниста № 395 на пассажирском режиме со скорости 120 км/ч на площадке был получен тормозной путь равный 1185 м.

• При торможении электровоза краном машиниста № 395 на скоростном режиме со скорости 120 км/ч на площадке был получен тормозной путь равный 830 м.

• При торможении электровоза реостатным тормозом со скорости 125 км/ч и при его срыве при скорости 95 км/ч был получен тормозной путь равный 1000 м.

• Неправильная регулировка скоростного регулятора, когда его отключение происходит при скорости 50 км/ч может привести к заклиниванию колесных пар. Было показано, что необходимо отрегулировать скоростной регулятор таким образом, чтобы переход с повышенного на нормальное давление происходил при скорости 60–70 км/ч.

• Температура нагнетаемого воздуха находилась в пределах норм.

• Наблюдалась повышенная вибрация компрессора, которая может вызвать нарушение герметизации трубопровода.

Охлаждение и динамика

• Расход охлаждающего воздуха по тяговым двигателям № 1, 2 и 4 первой секции электровоза оказался на 69, 43, 21 % соответственно меньше нормы за счёт утечек.

• Конструкция системы вентиляции не позволяла контролировать расходов воздуха через тяговые двигатели в эксплуатационных условиях, и работа происходила с существенными аэродинамическими потерями.

• Избыточное давление воздуха в кузове превышало существующие нормы.

• Тепловая защита блока пуско-тормозных резисторов реагировала на температуру воздуха, а не на температуру лент резисторов, что резко снижает быстродействие защиты.

При установке на полозы токоприемника металлокерамических пластин типа ВЖЗ (четыре ряда) допустима работа при одном поднятом токоприемнике при токе нагрузки до 2000 А в длительном режиме. При больших нагрузках следует поднимать два токоприемника.

Также с января по декабрь 1986 года проводились динамике — прочностные испытания узлов экипажной части электровоза ЧС7. Для испытаний из депо Москва -III был выделен электровоз № 075.

• Общая масса электровоза удовлетворяла техническим требованиям. При этом максимальное отклонение в нагрузках левого и правого колес одной колесной пары составляло 4,4%, что не удовлетворяет ТУ.

• Показатели демпфирования экипажа выше рекомендуемых. Для галопирования и подпрыгивания кузова показатель относительного демпфирования равен 0,39. Буксовая ступень рессорного подвешивания передемпфирована.

• Несмотря на высокую степень демпфирования, вертикальная динамика электровоза неудовлетворительная.

Среди замечаний к ранним машинам отмечали соединения трубопроводов высокого давления компрессора. Позднее конструкцию этого узла меняли. ВНИИЖТ также изучал модернизацию ходовой части и силового оборудования для продления срока службы локомотивов.

Механическая часть

Кузов, тележки и подвешивание

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 двухосными тележками. 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.

На каждой колёсной паре действует двусторонний колодочный тормоз. Для улучшения сцепления при трогании и боксовании песочницы подают песок под колёса. Подача возможна по команде машиниста, автоматически при срабатывании защиты от боксования и при экстренном торможении. Противоразгрузочные устройства помогают выравнивать осевые нагрузки при разгоне.

Тяговый привод

У каждой колёсной пары свой тяговый двигатель; два двигателя приходится на тележку. Двигатели закреплены на раме тележки, а их оси параллельны осям колёсных пар. Крутящий момент передаётся через карданные муфты и редуктор. Вал проходит внутри полого якоря двигателя: такое решение уменьшает угловые отклонения и нагрузку на муфты. На редукторах предусмотрены датчики перегрева с сигнализацией в кабине.

Оборудование секций

Секции соединены автосцепкой СА-3. В передней части каждой секции расположена кабина машиниста. На ранних выпусках лобовые стёкла обогревались электрически; на более поздних применили обдув тёплым воздухом. По бокам кабины находятся треугольные окна и открывающиеся форточки. Пульты помощника и машиниста расположены соответственно слева и справа.

Под кабиной расположен кондиционер, жалюзи конденсаторов которого можно видеть на боках электровоза под кабиной, если кондиционер не снят — в этом случае жалюзи закрываются металлическим листом. 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: тамбур находится за кабиной, и имеет 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 проскальзывания 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.

Электрическая часть

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 быстродействущего 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, контактор включения 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 и контроллер

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 нем 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 четырехцилиндровым 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 надежность 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 создаёт запас сжатого воздуха для тормозов, звуковых сигналов, песочниц, стеклоочистителей и аппаратов с пневматическим приводом. Он состоит из высоковольтного двигателя и трёхцилиндрового компрессора K2-Lok1. Пуск выбирают автоматическим, по сигналу реле давления, либо ручным с пульта. Для работы после зимней стоянки предусмотрен подогрев масла. При запуске в цепь вводится резистор сопротивлением 69 Ом; затем большая его часть выводится из цепи.

Для отопления в каждой кабине установлено два калорифера. Сами калориферы питаются высоким напряжением, а двигатели их вентиляторов — напряжением 50 В.

Цепи управления и освещение

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 один прожектор 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 подъема токоприемника и включения быстродействующего выключателя и отсутствии воздуха в главных резервуарах. Он имеет, как и на ЧС2, ручной привод, но дополнительно установлен и электропривод.

Реостатное торможение

ЧС7 оборудован реостатным тормозом. В этом режиме тяговые двигатели работают как генераторы, а выработанная энергия превращается в тепло на пуско-тормозных резисторах. Система помогает регулировать скорость поезда без постоянного применения пневматических тормозов.

Для работы ЭДТ должны быть включены его выключатели на пультах в обеих кабинах. Управляется ЭДТ задатчиком тормозной силы, задается 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).

При совместной работе пневматического и реостатного тормозов тормозная сила на локомотиве создаётся электрическим способом, а в составе — пневматическим. Поэтому взаимодействие режимов и исправность схемы торможения важны для плавности хода пассажирского поезда.

Технические характеристики

Примечание: в публикации «Тяга поездов» за 1985 год отдельно указаны конструкционная скорость 180 км/ч и максимально допустимая в эксплуатации 160 км/ч. В таблице приведён эксплуатационный предел.

Источники и материалы

«Особенности электровоза ЧС7», журнал «Тяга поездов», 1985, № 5.

«Вестник ВНИИЖТ», 2020, № 6: история серии и применение ЧС7.

Дополнительные чертежи и схемы доступны в учебных материалах; фотографии — в галерее. Архивное обсуждение — на форуме.

Публикация материала возможна с разрешения правообладателя.