Физика на железнодорожном транспорте

Физика на железнодорожном  транспорте

Крючков Д.В.

Курганский Институт Железнодорожного Транспорта

Руководитель  – Крупенченкова О.А

 

От паровых  тяг до электродвижущей силы

Первый изобретенный поезд двигался со скоростью 8 км/ч. Движущей силой была паровая тяга. Для того чтобы началось движение и был слышен привычный лязг и стук колес  о стальное полотно нужно было создать приличное давление в паровом котле, а вот двигать увесистую лошадку, было не так просто.

Минули годы и на сегодняшний  день паровозы являются музейным экспонатом и не более. За время большой истории  железной дороги в движущей тяге поездов  происходили значительные изменения  сначала паровая, затем дизельная, а на  данное время распространенной остается электрическая тяга, но на пятки наступает поколение поездов на магнитной подушке. Новый рекорд на магнитной тяге: поезд разогнали до 581 км/ч.

Принцип действия поезда на магнитной подушке:

Стоит заметить полотно состоит не как  у обычных двух колеечных полотен железной дороги, поезд основывается на одной сплошной монорельсе  и как бы охватывает ее своими сильными клешнями,  что по сути, сойти с рельсов не может.

Разгоняется поезд как обычный, на колесах, но при достижении 130 км/ч, колеса у поезда постепенно втягиваются, как у авиалайнеров и под силой магнита происходит движение,  создается  ощущение — парения в воздухе.

Секрет кроется в простом —  вдоль состава и направляющей монорельсе установлены электромагниты. Движение происходит по принципу электродвигателей.

Основной движущей силой поезда на магнитной подушке  является линейный двигатель.

Линейный двигатель — электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую магнитное поле, а другой взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя. Сейчас разработано множество разновидностей (типов) линейных электродвигателей, например, линейные асинхронные электродвигатели (ЛАД), линейные синхронные электродвигатели, линейные электромагнитные двигатели, линейные магнитоэлектрические двигатели, линейные магнитострикционные двигатели, линейные пьезоэлектрические (электрострикционные) двигатели и др. Многие типы линейных двигателей, такие как асинхронные, синхронные или постоянного тока, повторяют по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения, в то время как другие типы линейных двигателей (магнитострикционные, пьезоэлектрические и др.) не имеют практического исполнения как двигатели вращательного движения. Неподвижную часть линейного электродвигателя, получающую электроэнергию из сети, называют статором, или первичным элементом, а часть двигателя, получающая энергию от статора, называют вторичным элементом или якорем (название "ротор" к деталям линейного двигателя не применяется, т.к. слово "ротор" буквально означает "вращающийся", а в линейном двигателе вращения нет). Наибольшее распространение в транспорте и для больших линейных перемещений получили асинхронные и синхронные линейные двигатели, но применяются также линейные двигатели постоянного тока и линейные электромагнитные двигатели. Последние чаще всего используются для получения небольших перемещений рабочих органов и обеспечения при этом высокой точности и значительных тяговых усилий.

Наиболее распространённой в железной дороге, на данный момент в России, является контактная сеть.

Контактная сеть электрифицированной железной дороги.

Построить электрифицированную  магистраль это  значит кроме укладки  рельс, нужно смонтировать и контактную сеть. Знакомство с её устройством  мы  начинаем с контактной подвески.

Контактные подвески.

Основной  элемент подвески – опора, оснащённая консолями, изоляторами, фиксаторами. На опоре подвешен несущий трос. Контактный провод соединён с несущим  тросом множеством струн. Ток проходит по всей системе, что даёт большее  сечение, а значит и увеличивается  величина тока.  Напряжение при работе не постоянном токе составляет    3.3 кВ.,  при работе на переменном 25 кВ.

Обычно  используют постоянный или однофазный переменный ток. При этом в качестве одного из проводников выступает  рельсовый путь.

Токоприёмник.

Основным элементом подачи электроэнергии на электропоезд является токоприёмник. Мы рассмотрим  пантографный токоприёмник - токоприёмник с подъемным механизмом в виде шарнирного многозвенника, обеспечивающим вертикальное перемещение контактного полоза.  Пантограф служит для обеспечения надёжного электрического соединения с контактным проводом контактной сети электрического подвижного состава железных дорог. Пантограф имеет контактный полоз, закреплённый на подвижных устройствах — каретках. Каретки упруго закреплены на верхних рамах пантографа. Верхние рамы через систему рычагов шарнирно крепятся к нижней раме. Нижняя рама пантографа через изоляторы жёстко закреплена на крыше. Все части пантографа находятся под полным напряжением контактной сети. Ток протекает и через шарнирные соединения пантографа, для уменьшения переходного сопротивления в соединениях все шарниры имеют гибкие медные шунты.

 

Тяговый электродвигатель.

Электрический двигатель, предназначенный  для приведения в движение транспортных средств (электровозов, электропоездов).

Тяговая подстанция.

Тяговая подстанция — электроустановка для преобразования и распределения электрической энергии. Тяговые подстанции предназначены для понижения электрического напряжения и последующего преобразования тока (только для подстанций постоянного тока) с целью передачи его в контактную сеть для обеспечения электрической энергией электровозов, трамваев и троллейбусов. Тяговые подстанции бывают постоянного и переменного тока.

Общий вид тяговой подстанции: 
1 – провода ввода 110 кВ

2  - железобетонная опора

3 – молниеотвод на  опоре

4 – гирлянда изоляторов

5 – масляный выключатель

6 – трансформатор напряжения 110 кВ

7 – разрядники 110 кВ

8 – разъединитель 110 кВ

9 – ввод 35 кВ

10 – тяговые трансформаторы

11 – понижающий трёхобмоточный трансформатор

12 – здание тяговой  подстанции

13 – выключатель 35 кВ

14 – гирлянда изоляторов

15 – провода линии 35 кВ

16 – прожекторная мачта