Электровоз ВЛ60

Впервые в Советском Союзе вопрос об электрификации железных дорог на переменном токе был поставлен ещё в 1920-х, когда только начинали электрифицировать направление через Сурамский перевал. Простейшие расчёты показывали, что в будущем электрическая тяга на постоянном токе с номинальным напряжением 3000 В не позволит рационально решить вопрос увеличения провозной способности линий путём повышения веса поездов и скорости их движения. Так эти расчёты показывали, что при ведении поезда массой 10 000 т на подъёме 10 ‰ при скорости 50 км/ч тяговый ток электровозов будет составлять более 6000 А. Это требовало бы увеличения сечения контактных проводов, а также более частого расположения тяговых подстанций. В общей сложности учёные сравнили около двухсот вариантов сочетаний рода тока и величин напряжений, после чего было принято решение, что оптимальным вариантом является электрификация на постоянном или переменном (50 Гц) токе напряжением 20 000 В. Первая система на тот момент в мире вообще нигде не была испытана, а вторая была изучена очень мало, поэтому на первой Всесоюзной конференции по электрификации железных дорог было принято решение о сооружении опытного участка, электрифицированного на переменном токе (50 Гц) напряжением 20 кВ, а также построить электровоз для испытаний, которые бы позволили выявить преимущества и недостатки электровозов переменного тока в условиях нормальной эксплуатации.

 

В октябре 1938 года на заводе «Динамо», при поддержке Коломенского завода была закончена постройка первого в Советском Союзе электровоза переменного тока, которому присвоили обозначение ОР22 (однофазный, с ртутным выпрямителем, нагрузка на ось — 22 тс). Для упрощения производства, механическая часть и тяговые двигатели этого электровоза были заимствованы от электровозов «Владимир Ленин» и «Сергей Киров». После проведения заводских испытаний, электровоз ОР22 был отправлен на экспериментальное кольцо ВНИИЖТа, где 19 декабря 1939 года совершил свою первую самостоятельную поездку под напряжением. Дальнейшие испытания данного электровоза показали, что схема электрификации на переменном токе высокого напряжения (20кВ) и промышленной частоты (50Гц) является оптимальным вариантом. Благодаря этому отпадает необходимость в применении неэкономичного реостатного пуска, возрастает число экономических скоростей, а устранение гальванической связи между контактной сетью и тяговыми электродвигателями позволяет лучше защитить последние от различных перенапряжений, а также снизить толщину изоляции, что в свою очередь ведёт к увеличению их удельной мощности. Помимо этого, принципиальная схема электровоза (трансформатор—выпрямитель—ТЭД) оказалась настолько удачной, что впоследствии по ней стало выпускаться подавляющее большинство советских электровозов переменного тока. Сам ОР22 в начале Великой Отечественной войны был разоборудован.

 

Вновь к электровозам переменного тока в СССР вернулись в начале 1950-х в связи с началом пятой пятилетки, по планам которой предусматривалась массовая электрификация железных дорог. В 1952 году на Новочеркасском электровозостроительном заводе было начато проектирование нового электровоза переменного тока с ламповыми выпрямителями. В 1954 году завод выпустил по проекту 2 первых электровоза, которым было присвоено обозначение НО (новочеркасский однофазный). В дальнейшем до 1957 года включительно завод выпустил ещё 10 электровозов данной серии. Как и в случае с ОР22, механическая часть и тяговые электродвигатели для данного электровоза были заимствованы от электровозов постоянного тока (на сей раз от ВЛ22м). Однако в отличие от ОР22, на НО не было сеточного регулирования, а применено ступенчатое (33 позиции). Это упрощало устройство, но одновременно с этим снижало тяговые пусковые характеристики. Электровозы поступили для эксплуатации на линию Ожерелье — Павелец (Московская железная дорога), которая в 1955—1956 гг. была электрифицирована на переменном токе напряжением 20 кВ. Эксплуатация электровозов НО (в 1963 году их обозначение сменили на ВЛ61) была довольно успешной и ещё подтвердила полную работоспособность ламповых выпрямителей на электровозах. В результате было принято решение об электрификации на переменном токе сразу целого направления Транссибирской железнодорожной магистрали, а именно: Мариинск — Зима, протяжённостью 1222 км. Однако уже к тому времени советские заводы начали выпуск более мощных локомотивов: электровозы ВЛ8 и тепловозы ТЭ3. Помимо этого, принятое в 1956 году на XX-ом съезде КПСС решения о массовом переходе на электровозную и тепловозную виды тяги подразумевало и рост весов поездов. Таким образом, электровозы НО с их часовой мощностью 2400 кВт уже не могли обеспечить выполнение провозной способности железнодорожных участков, что привело к решению о начале проектирования нового более мощного электровоза переменного тока.

Проектирование

В 1956 году на Новочеркасском электровозостроительном заводе была начата разработка эскизного проекта нового шестиосного электровоза переменного тока. Работы велись под руководством главного конструктора завода — Б. В. Суслова, который ранее уже руководил проектированием электровозов НО (см. выше). В результате были определены следующие параметры нового электровоза:

 

Род тока — однофазный 50 Гц, 20 кВ;

Мощность — 4000 кВт;

Сила тяги часового режима — 33 000 кгс при скорости 45 км/ч;

Конструкционная скорость — 110 км/ч;

Масса электровоза — 138 т;

Диаметр движущих колёс — 1250 мм.

 

От НО, новый электровоз заимствовал схему пуска (встречно-согласное включение обмоток трансформатора, применение делительных реакторов, 33 пусковые позиции) и схему выпрямления (двухполупериодная с нулевым выводом). Помимо этого, на новом электровозе рабочее напряжение электродвигателей также было принято равным 1500 В. И тут выбор конструкторов не совсем обоснован. Дело в том, что наиболее оптимальная величина напряжения для тяговых электродвигателей электровозов составляет 750—1000 В, то есть в 1,5-2 раза ниже выбранного. В книгах В. А. Ракова это объясняется тем, что при применении напряжения 750 В вес аппаратуры, а следовательно и электровоза в целом, будет значительно выше, нежели при более высоком напряжении. Однако этому противоречит тот факт, что всего через 2 года на том же заводе был создан новый, более мощный электродвигатель НБ-413 (применялся на электровозах Н8О) на напряжение 900 В. Вариант, что напряжение 1500 В было принято для устранения излишних перерасчётов силовых элементов, также неприемлем.

 

В январе 1957 года было начато рабочее проектирование. Так как к тому времени переход с винтовой стяжки на автосцепку был официально завершён, то новый электровоз сразу проектировался без буферов. Таким образом он стал первым в СССР локомотивом, на котором не предусматривалась установка буферов, при этом автосцепка крепилась на кузове, а не на тележках, что позволило снизить их массу, а также исключить межтележечное соединение, что в свою очередь позволило в освободившееся пространство опустить тяговый трансформатор. Также на проектируемом электровозе для соединения тележек с кузовом вместо шкворневых опор были использованы качающиеся (по принципу работы схожи с перевёрнутым маятником). В связи с этим, распространено заблуждение, что конструкторами были заимствованы отдельные узлы от электровозов Ф, приобретённых Советским Союзом у Франции. Однако данное заблуждение довольно легко опровергнуть, так как электровоз T-01 (прототип электровозов Ф) было выпущен лишь в 1959 году. К тому же, аналогичную конструкцию опор имели тепловозы ТЭП60 и первые ТЭП70.

Производство

Опытные электровозы Н6О

 

В декабре 1957 и феврале 1958 г. НЭВЗ построил два первых шестиосных электровоза переменного тока напряжением 20 кВ — Н6О-001 и Н6О-002.

 

Конструкция механической части электровозов Н60 значительно отличается от всех ранее построенных в Советском Союзе электровозов. Кузов электровоза Н60 служит не только для размещения оборудования и кабин машиниста, а также для передачи тягового усилия. Поэтому автосцепки установлены на раме кузова, а не на тележках, как это сделано на электровозах ВЛ61. Электровоз ВЛ60 является первым магистральным локомотивом, спроектированным без буферов. На двух первых электровозах была установлена двусторонняя, жесткая косозубая передача от тяговых электродвигателей к колёсным парам с разным передаточным отношением, что позволило выбрать оптимальное отношение для серийного производства.

 

На электровозах Н6О-001 и Н6О-002 были установлены тяговые электродвигатели НБ-410 мощностью 695 кВт и 610 кВт в часовом и длительном режимах соответственно. На электровозе размещены две выпрямительные установки, каждая из которых имеет четыре игнитронных запаянных вентиля с жидкостным охлаждением. Схема силовой цепи тяговых электродвигателей на электровозах Н6О-001 и Н6О-002 принципиально такая же, как и на электровозах серии ВЛ61.

 

По данным взвешивания электровоз Н6О-001 имел вес выше ранее запланированного — 141,3 т. После замены тележек с литыми боковинами на тележки с боковинами, сваренными из листовой стали, вес электровоза снизился до 139,6 т. При диаметре колес 1250 мм и передаточном числе 1:4,19 (Н6О-001) и 1:3,74 (Н6О-002) электровозы реализовали: при часовом режиме — силу тяги 33100 кГ и 29600 кГ, скорость 45,0 км/ч и 50,4 км/ч; при длительном режиме — силу тяги 27500 кГ и 24600 кГ и скорость 47,5 и 53,2 км/ч соответственно. Конструктивная скорость была снижена до 100 км/ч.

 

В связи с переводом участка Ожерелье — Павелец с напряжения 20 кв на напряжение 25 кв на электровозах Н6О-001 и Н6О-002 в 1959 году были заменены первичные обмотки трансформаторов. В дальнейшем электровозы были подвергнуты более серьёзным переделкам (новые тяговые электродвигатели НБ-412М, главные контроллеры, …), что приблизило их конструкцую к серийным локомотивам.

Принятое в октябре 1958 года решение об электрификации участка Мариинск — Красноярск — Зима на переменном токе со сроком ввода его в эксплуатацию в течение 1959—1960 гг. значительно ускорило организацию выпуска электровозов ВЛ60 на Новочеркасском электровозостроительном заводе. Уже в 1959 году было выпущено несколько десятков электровозов.

 

Эти электровозы строились заводом с 1959 г. по 1965 г. и стали основным типом грузового локомотива на линиях, электрифицированных на переменном токе. При этом завод непрерывно работал над улучшением конструкции локомотивов данной серии.

 

На основании результатов эксплуатации тяговые электродвигатели НБ-410 были переработаны и получили наименование НБ-412. Выполненные на несколько меньшее номинальное напряжение (1450 В против 1600 В у НБ-410) они имели следующие параметры: мощность часового режима — 647 кВт, продолжительного — 564 кВт (против 695 кВт и 610 Квт у НБ-410 соответственно). Электродвигатель стал тяжелее. ТЭД НБ-412 установлены на электровозах № 003—033.

 

Позднее с целью повышения мощности двигатель снова был модифицирован и получил обозначение НБ-412М. Новая модификация имела следующие параметры: мощность часового режима — 690 кВт, продолжительного — 550 кВт. Этими двигателями были оборудованы почти все электровозы выпуска 1959—1965 гг.

 

В дальнейшем попытки усовершенствовать тяговые электродвигатели (в первую очередь повысить напряжение на зажимах) не прекращались и привели к возникновению новой модификации — НБ-412К. При номинальном напряжении 1600 В данный двигатель имел следующие параметры: мощность часового режима — 800 кВт, продолжительного — 675 кВт. Также немного понизилась и масса двигателя. ТЭД НБ-412К стали устанавливаться на электровозы с № 1810 с 1965 года.

 

Также в процессе постройки было изменено количество игнитронов (с 8 на первых четырёх электровозах до 12 на последующих) и схема их соединения и монтажа. В конце 1963 года стала выпускаться усовершенствованная модель игнитронов, которая и устанавливалась на электровозы ВЛ60, начиная с № 1277.

 

В процессе серийного выпуска было сделано и множество других изменений в конструкции электровоза.

 

Локомотивы серии ВЛ60 первоначально поступили на Красноярскую, а затем на Северо-Кавказскую, Северную (Депо Буй, Вологда), Одесско-Кишиневскую, Горьковскую, Дальневосточную, Юго-Восточную дороги и на участок Ожерелье — Павелец Московской дороги.

 

Китай

 

На основе электровоза Н60 с помощью СССР в КНР в 1958 году был спроектирован первый китайский магистральный электровоз, получивший наименование 6Y1. До 1968 года было построено 7 таких электровозов.

 

Начиная с 1968 года вместо ртутных игнитронов стали использовать кремниевые выпрямители. С этого момента электровоз получил наименование SS1 (Shaoshan 1) и стал выпускаться серийно до 1988 года. Всего построено 819 электровозов серии SS1.

Модификации

ВЛ60П-001

 

В конце 1961 года Новочеркасский электровозостроительный завод выпустил электровоз ВЛ60П-001, предназначенный для пассажирской службы.

 

На этом электровозе установлены тяговые электродвигатели НБ-415, изменена зубчатая передача (передаточное отношение), установлены электропневматические тормоза. Остальное электрооборудование такое же, как на серийных электровозах выпуска 1961 г. При напряжении на зажимах 1450 В ТЭД НБ-415 имеет следующие параметры: мощность часового режима — 690 кВт, продолжительного — 595 кВт.

 

При часовом режиме сила тяги равна 19000 кГ и скорость 73,3 км/ч, при длительном режиме соответственно — 16900 кГ и 75,4 км/ч. Скорость электровоза, соответствующая максимальной по якорю — 130 км/ч (однако при работе максимальная скорость была ограничена 100 км/ч для более надежной работы двигателей).

 

Снижение веса тягового электродвигателя на 1,2 т по сравнению с тяговыми электродвигателями электровоза ВЛ60, применение алюминия вместо меди, а также облегчение отдельных конструкций позволили уменьшить вес электровоза со 138 до 129 т.

 

Электровоз ВЛ60П-001 обслуживал пассажирские поезда на Северо-Кавказской железной дороге.

 

ВЛ60П

 

С целью повышения скорости движения пассажирских поездов, которые из-за отсутствия специальных пассажирских электровозов переменного тока обслуживались грузовыми электровозами, в период 1962 — 1965 гг. часть электровозов серии ВЛ60 выпускалась с передаточным отношением зубчатых колес 30:82=1:2,733 и электропневматическими тормозами. Электровозы получили обозначение ВЛ60П (пассажирские).

 

Электровозы ВЛ60П выпускались с тяговыми электродвигателями НБ-412К. Скорость часового режима электровозов этой серии равнялась 73,3 км/ч, продолжительного — 77,1 км/ч. Максимальная скорость была установлена равной 110 км/ч.

 

Всего был выпущен 301 электровоз этой серии.

 

ВЛ60Р

 

В 1962 году были выпущены два опытных электровоза серии ВЛ60 с рекуперативным торможением. После успешных испытаний в 1964-1966 гг. была выпущена серия подобных электровозов с рекуперацией в количестве 85 локомотивов. Серия получила обозначение ВЛ60Р.

 

ВЛ60К

 

После постройки опытных электровозов ВЛ62 с кремниевыми выпрямителями Новочеркасский электровозостроительный завод в конце 1962 года выпустил два электровоза ВЛ60К.

 

Электровоз ВЛ60К−1155

 

Электровоз ВЛ60К−002 прошел испытания на экспериментальном кольце ЭлНИИ. Электровоз ВЛ60К−001 после выхода с завода сразу же поступил для эксплуатации на Северо-Кавказскую железную дорогу.

 

В 1963 году НЭВЗ выпустил еще несколько электровозов ВЛ60К с тяговыми электродвигателями НБ-412М, а во второй половине 1965 года завод вместо электровозов ВЛ60 начал выпускать электровозы ВЛ60К с кремниевыми выпрямителями и тяговыми электродвигателями НБ-412К. По своим тяговым характеристикам эти электровозы незначительно отличаются от электровозов ВЛ60 с тяговыми электродвигателями НБ-412К и имеют одинаковые с ними номинальные значения силы тяги и скорости при часовом и длительном режимах.

 

Всего был выпущен 501 электровоз серии ВЛ60К. Такое же наименование получили и ранее выпущенные ВЛ60, переоборудованные с игнитронных установок на кремниевые.

 

ВЛ60ПК (ВЛ60КП)

 

Электровозы ВЛ60П, оборудованные кремниевыми выпрямителями, а также ВЛ60К, переоборудованные в пассажирские.

 

ВЛ60КУ

 

11 электровозов были переоборудованы из ВЛ60К с введением плавного регулирования напряжения на выводах тяговых электродвигателей и одновременно бестоковой коммутации при этом регулировании. Индекс «У» обозначает «управляемый».

 

ВЛ60КР

 

В течение 1971 — 1973 гг. был сделан проект переоборудования электровоза ВЛ60К для работы с рекуперативным торможением. Опытный электровоз получил обозначение ВЛ60КР−2370 и в августе 1974 года поступил для испытаний на экспериментальном кольце ЦНИИ МПС.