Тепловоз

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Тепловоз»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( декабрь 2019 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

ČKD ČME3 - один из самых долгоживущих и производимых дизель-электрических локомотивов из когда-либо созданных.

Эти локомотивы, эксплуатируемые компанией Pacific National, демонстрируют три стиля корпуса тепловоза: бокс-кабина (задняя часть), блок капота (центр) и блок кабины (передний).

Тепловоз является тип железнодорожного локомотива , в котором основной движущей силой является дизельный двигатель . Было разработано несколько типов тепловозов, различающихся в основном способами передачи механической энергии на ведущие колеса .

Первые локомотивы внутреннего сгорания и железнодорожные вагоны использовали керосин и бензин в качестве топлива. Рудольф Дизель запатентовал свой первый двигатель с воспламенением от сжатия ^[1] в 1898 году, и постоянные усовершенствования конструкции дизельных двигателей уменьшили их физические размеры и улучшили их отношение мощности к массе до такой степени, что их можно было установить в локомотиве. Двигатели внутреннего сгорания работают эффективно только в ограниченном диапазоне крутящего момента , и хотя бензиновые двигатели малой мощности можно было соединить с механическими трансмиссиями , более мощные дизельные двигатели потребовали разработки новых форм трансмиссии. ^{[2] [3] [4][5] [6]} Это связано с тем, что при таких уровнях мощности муфты должны быть очень большими и не помещаться в стандартную раму локомотива шириной 2,5 м (8 футов 2 дюйма) или изнашиваться слишком быстро, чтобы быть полезными.

Первые успешные дизельные двигатели использовали дизель-электрические трансмиссии , и к 1925 году небольшое количество тепловозов мощностью 600 л.с. (450 кВт) находилось на вооружении в Соединенных Штатах. В 1930 году Армстронг Уитворт из Соединенного Королевства поставил два локомотива мощностью 1200 л.с. (890 кВт) с двигателями конструкции Sulzer для Великой южной железной дороги Буэнос-Айреса в Аргентине. В 1933 году дизель-электрическая технология, разработанная Maybach, была использована для движения DRG Class SVT 877.- двухвагонный высокоскоростной междугородный комплект, который начал серийное производство с другими модернизированными автомобилями в Германии, начиная с 1935 года. В Соединенных Штатах дизель-электрическая силовая установка была переведена на высокоскоростные магистральные пассажирские перевозки в конце 1934 года, в основном в основном благодаря исследованиям и разработкам General Motors, начавшимся в конце 1920-х годов, и достижениям в области дизайна легких автомобилей компанией Budd .

Восстановление экономики после Второй мировой войны привело к широкому распространению тепловозов во многих странах. Они обладали большей гибкостью и производительностью, чем паровозы , а также значительно меньшими затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание. Дизель-гидравлические трансмиссии были введены в 1950-х годах, но с 1970-х годов доминировали дизель-электрические трансмиссии. ^{[ необходима цитата ]}

История [ править ]

Адаптация для рельсов [ править ]

Самым ранним зарегистрированным примером использования двигателя внутреннего сгорания в железнодорожном локомотиве является прототип, разработанный Уильямом Дентом Пристманом , который был исследован Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином в 1888 году, который описал его как «[нефтяной двигатель Пристмана], установленный на грузовик, который работает на временной линии рельсов, чтобы показать приспособление бензинового двигателя для локомотивных целей ". ^{[7] [8]} В 1894 году двухосная машина мощностью 20 л.с. (15 кВт), построенная братьями Пристман, использовалась в доках Халла . ^{[9] [10]} В 1896 году для Королевского арсенала в Вулидже был построен железнодорожный локомотив с масляным двигателем., Англия, с использованием двигателя, разработанного Гербертом Акройдом Стюартом . ^[11] Это не был дизель, потому что он использовал двигатель с горячей лампой (также известный как полудизель), но он был предшественником дизеля.

Рудольф Дизель рассматривал возможность использования своего двигателя для привода локомотивов в своей книге 1893 года Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren . ^[12] Однако массивность и низкая удельная мощность ранних дизельных двигателей делали их непригодными для использования в наземных транспортных средствах. Таким образом, потенциал двигателя в качестве тягача для железных дорог изначально не был признан. ^[13] Это изменилось по мере того, как в результате разработки уменьшились габариты и вес двигателя.

В 1906 году Рудольф Дизель, Адольф Клозе и производитель паровых и дизельных двигателей Гебрюдер Зульцер основали компанию Diesel-Sulzer-Klose GmbH для производства дизельных локомотивов. Компания Sulzer производила дизельные двигатели с 1898 года. Прусские государственные железные дороги заказали у компании тепловоз в 1909 году, и после испытательных пробегов между Винтертуром и Романсхорном , Швейцария, дизель-механический локомотив был доставлен в Берлин в сентябре 1912 года. Тепловоз эксплуатировался летом 1912 года на той же ветке из Винтертура, но не имел коммерческого успеха. ^[14] Во время пробных запусков в 1913 году было обнаружено несколько проблем. Начало Первой мировой войныв 1914 г. предотвратил все дальнейшие испытания. Вес локомотива составлял 95 тонн, мощность - 883 кВт, максимальная скорость - 100 км / ч (62 мили в час). ^[15]

До середины 1920-х годов в ряде стран было произведено небольшое количество опытных тепловозов.

Первые тепловозы и железнодорожные вагоны в Соединенных Штатах [ править ]

Ранние разработки в Северной Америке [ править ]

Адольф Буш приобрел американские права на производство дизельного двигателя в 1898 году, но никогда не применял эту новую форму мощности на транспорте. Он основал компанию Busch-Sulzer в 1911 году. В начале двадцатого века с вагонами с двигателями внутреннего сгорания удалось добиться лишь ограниченного успеха, отчасти из-за трудностей с системами механического привода. ^[16]

General Electric (GE) вышла на рынок железнодорожных вагонов в начале двадцатого века, когда Томас Эдисон обладал патентом на электровоз, а его конструкция фактически представляла собой тип железнодорожного вагона с электрическим приводом. ^[17] GE построила свой первый прототип электровоза в 1895 году. Однако высокие затраты на электрификацию заставили GE обратить внимание на энергию внутреннего сгорания, чтобы обеспечить электричеством электрические железнодорожные вагоны. Сразу же возникли проблемы, связанные с координацией первичного двигателя и электродвигателя , в первую очередь из-за ограничений выбранной системы управления током Уорда Леонарда . ^{[ необходима цитата ]} GE Railбыла образована в 1907 году и через 112 лет, в 2019 году, была приобретена и слита с Wabtec .

Значительный прорыв произошел в 1914 году, когда Герман Лемп , инженер-электрик GE, разработал и запатентовал надежную систему управления, которая управляла двигателем и тяговым двигателем с помощью одного рычага; последующие усовершенствования также были запатентованы Lemp. ^[18] Конструкция Лемпа решала проблему перегрузки и повреждения тяговых двигателей чрезмерной электрической мощностью на низких скоростях и была прототипом для всех систем управления электроприводом внутреннего сгорания.

В 1917–1918 годах компания GE произвела три экспериментальных дизель-электрических локомотива с использованием конструкции управления Лемпа, первый из которых, как известно, был построен в Соединенных Штатах. ^[19] После этого в 1923 году Закон Кауфмана запретил движение паровозов в Нью-Йорке из-за серьезных проблем с загрязнением окружающей среды. В ответ на этот закон была введена электрификация железнодорожных линий с интенсивным движением. Однако электрификация была неэкономичной для районов с низким трафиком.

Первое регулярное использование дизель-электрических локомотивов было в коммутационных (маневровых) приложениях, которые были более снисходительными, чем основные применения ограничений современной дизельной технологии, и где экономия дизельного топлива на холостом ходу по сравнению с паром была бы наиболее выгодной. GE начала сотрудничество с Американской локомотивной компанией (ALCO) и Ingersoll-Rand (консорциум «AGEIR») в 1924 году для производства прототипа локомотива «коробчатый» мощностью 300 л.с. (220 кВт), поставленного в июле 1925 года. Этот локомотив продемонстрировал, что дизель –Электроэнергетическая установка могла бы обеспечить многие из преимуществ электровоза без значительных затрат на электрификацию железной дороги. ^[20]Агрегат успешно продемонстрировал работу в коммутационных и местных грузовых и пассажирских перевозках на десяти железных дорогах и трех промышленных линиях. ^[21] Westinghouse Electric и Baldwin начали сотрудничать в создании переключающихся локомотивов, начиная с 1929 года. Однако Великая депрессия сократила спрос на электрооборудование Westinghouse, и они прекратили производство локомотивов внутри компании, решив вместо этого поставлять электрические детали. ^[22]

В июне 1925 года компания Baldwin Locomotive Works заменила прототип дизель-электрического локомотива для «специальных целей» (например, для поездок, где вода для паровозов была недостаточной) с использованием электрического оборудования от Westinghouse Electric Company . ^[23] Его двухмоторная конструкция не увенчалась успехом, и после непродолжительных испытаний и демонстраций установка была списана. ^[24] Источники в отрасли начали предлагать «выдающиеся преимущества этой новой формы движущей силы». ^[25] В 1929 году Канадские национальные железные дороги стали первой североамериканской железной дорогой, которая использовала дизельные двигатели в магистральных линиях с двумя единицами, 9000 и 9001, от Westinghouse. ^[26] Однако эти первые дизельные двигатели оказались дорогими и ненадежными, поскольку их высокая стоимость приобретения по сравнению с паром не могла быть реализована с точки зрения экономии эксплуатационных расходов, поскольку они часто выходили из строя. Пройдет еще пять лет, прежде чем дизель-электрическая силовая установка будет успешно использоваться в магистральных сетях, и почти десять лет, прежде чем полная замена пара станет реальной перспективой с существующей дизельной технологией.

Прежде чем дизельная энергия могла проникнуть в магистраль, необходимо было преодолеть ограничения дизельных двигателей примерно 1930-х годов - низкое отношение мощности к массе и узкий диапазон мощности. Основные усилия по преодолению этих ограничений были предприняты General Motors после того, как они перешли в дизельную отрасль с приобретением в 1930 году компании Winton Engine Company , крупного производителя дизельных двигателей для судового и стационарного применения. При поддержке Исследовательского подразделения General Motors. , Winton Engine Corporation GM стремилась разработать дизельные двигатели, подходящие для высокоскоростного мобильного использования. Первый этап в этой работе была поставкой в начале 1934 из Винтон 201А, двухтактный , механически придыхания ,uniflow-scavenged, unit-injected diesel engine that could deliver the required performance for a fast, lightweight passenger train. The second milestone, and the one that got American railroads moving towards diesel, was the 1938 delivery of GM's Model 567 engine that was designed specifically for locomotive use, bringing a fivefold increase in life of some mechanical parts and showing its potential for meeting the rigors of freight service.^[27]

Дизель-электрические железнодорожные локомотивы поступили на магистральные перевозки, когда компании Burlington Railroad и Union Pacific использовали изготовленные на заказ дизельные « лайнеры » для перевозки пассажиров, начиная с конца 1934 года. ^{[16] [28]} Поезда Zephyr Берлингтона эволюционировали из трехвагонных сочлененных вагонов с 600 автомобилями. мощные автомобили в 1934 и начале 1935 года на Denver ZephyrВ конце 1936 года было представлено десять полуоснащенных поездов, приводимых в движение силовыми установками с усилителем кабины. В июне 1935 года Union Pacific начала курсировать на дизельном топливе между Чикаго и Портлендом, штат Орегон, а в следующем году добавила к ним Лос-Анджелес и Окленд, Калифорния, и Денвер, штат Колорадо. пункты назначения дизельных лайнеров из Чикаго. Обтекаемые модели Burlington и Union Pacific были построены компаниями Budd и Pullman-Standard , соответственно, с использованием новых двигателей Winton и систем силовой передачи, разработанных GM Electro-Motive Corporation . Экспериментальный BB 1800 л.с. от EMCЛокомотивы 1935 года продемонстрировали многоблочные системы управления, используемые для кабины / бустерных установок, и двухмоторный формат, используемый с более поздними силовыми установками Zephyr . Обе эти функции будут использоваться в более поздних моделях локомотивов EMC. Легкие дизельные обтекаемые модели середины 1930-х годов продемонстрировали преимущества дизельного топлива для пассажирских перевозок с прорывным графиком, но мощность тепловозов не будет полностью развита до тех пор, пока не начнется регулярное серийное производство магистральных тепловозов, и они не будут показаны пригодными для полноразмерных пассажирские и грузовые перевозки.

Первые американские серийные локомотивы [ править ]

Following their 1925 prototype, the AGEIR consortium produced 25 more units of 300 hp (220 kW) "60 ton" AGEIR boxcab switching locomotives between 1925 and 1928 for several New York City railroads, making them the first series-produced diesel locomotives.^[29] The consortium also produced seven twin-engine "100 ton" boxcabs and one hybrid trolley/battery unit with a diesel-driven charging circuit. ALCO acquired the McIntosh & SeymourEngine Company в 1929 году и приступила к серийному производству блоков переключения с одной кабиной мощностью 300 л.с. (220 кВт) и 600 л.с. (450 кВт) в 1931 году. ALCO будет ведущим производителем двигателей переключения до середины 1930-х годов и адаптировала базовая конструкция переключателя для производства универсальных и весьма успешных, хотя и относительно маломощных дорожных локомотивов.

GM, видя успех заказных обтекаемых моделей, стремилась расширить рынок дизельной энергии, производя стандартизированные локомотивы в рамках своей Electro-Motive Corporation . В 1936 году новый завод EMC начал производство стрелочных двигателей. В 1937 году завод начал производство своих новых обтекаемых пассажирских локомотивов серии E , которые в 1938 году будут модернизированы более надежными двигателями специальной конструкции. Увидев производительность и надежность нового двигателя модели 567 в пассажирских локомотивах, EMC стремилась продемонстрировать дизельные двигатели. жизнеспособность в грузовых перевозках.

После успешной поездки в 1939 г. демонстрационного грузового локомотива EMC FT были созданы условия для дизелизации американских железных дорог. В 1941 году ALCO-GE представила стрелочный переводчик RS-1, который занял свою рыночную нишу, в то время как локомотивы EMD серии F были востребованы для магистральных грузовых перевозок. Вступление США во Вторую мировую войну замедлило переход на дизельное топливо; Совет по военному производству приостановил производство новой пассажирской техники и уделил приоритетное внимание производству дизельных двигателей военно-морским силам. Во время нефтяного кризиса 1942–43 гг.Преимущество пара, работающего на угле, заключается в том, что он не использует критически дефицитное топливо. Позднее EMD было разрешено увеличить производство своих локомотивов FT, а ALCO-GE было разрешено производить ограниченное количество дорожных локомотивов DL-109 , но большая часть локомотивного бизнеса была ограничена производством стрелочных двигателей и паровозов.

В начале послевоенной эпохи EMD доминировала на рынке магистральных локомотивов со своими локомотивами серий E и F. В конце 1940-х годов компания ALCO-GE выпустила коммутаторы и дорожные коммутаторы, которые имели успех на рынке перевозок на короткие расстояния. Однако в 1949 году EMD запустила в производство свои локомотивы серии GP , которые вытеснили все другие локомотивы на рынке грузовых перевозок, включая их собственные локомотивы серии F. Впоследствии GE прекратила свое партнерство с ALCO и в начале 1960-х годов стала основным конкурентом EMD, в конечном итоге заняв лидирующую позицию на рынке локомотивов у EMD.

Ранние дизель-электрические локомотивы в Соединенных Штатах использовали тяговые двигатели постоянного тока (DC), но двигатели переменного тока (AC) получили широкое распространение в 1990-х годах, начиная с Electro-Motive SD70MAC в 1993 году и затем General Electric AC4400CW в 1994 г. и AC6000CW в 1995 г. ^[30]

Первые тепловозы и вагоны в Европе [ править ]

Первые исправные дизельные автомобили [ править ]

В 1914 году для Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen ( Королевские саксонские государственные железные дороги ) компания Waggonfabrik Rastatt выпустила первые в мире функциональные дизель-электрические железнодорожные вагоны с электрическим оборудованием от Brown, Boveri & Cie и дизельными двигателями от Swiss Sulzer AG . Они были классифицированы как DET 1 и DET 2 ( de.wiki  ^{[ de ]} ). Из-за нехватки бензина во время Первой мировой войны они не использовались для регулярной службы в Германии. В 1922 году они были проданы швейцарской компании Compagnie du Chemin de fer Régional du Val-de-Travers ( fr.wiki  ^{[ fr ]}), где они использовались в регулярной эксплуатации вплоть до электрификации линии в 1944 году. Впоследствии компания оставила их в эксплуатации в качестве ускорителей до 1965 года.

Fiat заявляет, что это первый итальянский дизель-электрический локомотив, построенный в 1922 году, но подробностей пока мало. Несколько дизельных локомотивов Fiat- TIBB Bo'Bo были построены для обслуживания на 950 мм ( 3 фута  1++3 / +8  в) узкоколейная Ferrovie Калабро Лучане иSocietà на ле Strade Феррат дель Mediterranoна юге Италии в 1926 году, после испытаний в 1924-25 гг. ^[31] Шестицилиндровый двухтактный двигатель производил 440 лошадиных сил (330 кВт) при 500 об / мин, приводя в движение четыре двигателя постоянного тока, по одному на каждую ось. Эти 44-тонные (43 длинных тонны; 49 коротких тонн) локомотивы с максимальной скоростью 45 километров в час (28 миль в час) оказались весьма успешными. ^[32]

В 1924 году два тепловоза были приняты на вооружение железной дороги СССР почти одновременно:

• Двигатель Э ^эл 2 ( исходный номер E el 2 Юэ 001 / Yu-e 001) был запущен 22 октября. Он был разработан группой под руководством Юрия Ломоносова и построен в 1923–1924 годах на Maschinenfabrik Esslingen в Германии. У него было 5 ведущих мостов (1'E1 '). После нескольких пробных поездок он возил поезда в течение почти трех десятилетий с 1925 по 1954 год. ^[33] Хотя он оказался первым в мире функциональным тепловозом, он не стал серийным, но стал образцом для нескольких классов советских тепловозов.
• Двигатель Щэл1 ( Щ- Эл 1 , исходный номер Юэ2 / Ю-э 2) был запущен 9 ноября. Он был разработан Яковом Модестовичем Гаккелем ( ru.wiki  ^{[ ru ]} ) и построен на Балтийском судостроительном заводе в Санкт-Петербурге . У него было десять ведущих мостов в трех тележках (1 Co 'Do' Co '1'). С 1925 по 1927 год он курсировал поездами между Москвой и Курском и в Кавказском регионе. Впоследствии из-за технических проблем он был выведен из эксплуатации. С 1934 года использовался как стационарный электрогенератор.

В 1935 году Krauss-Maffei , MAN и Voith построили в Германии первый дизель-гидравлический локомотив V 140 . Немецкие железные дороги (DRG) очень довольны производительностью этого двигателя, поэтому дизель-гидравлика стала основным направлением производства тепловозов в Германии. Серийное производство тепловозов в Германии началось после Второй мировой войны.

Коммутаторы [ править ]

На многих железнодорожных станциях и промышленных предприятиях паровые маневры приходилось поддерживать в горячем состоянии во время многих перерывов между разрозненными короткими задачами. Таким образом, дизельная тяга стала экономичной для маневровых работ раньше, чем стала экономичной для буксировки поездов. Строительство маневровых дизельных двигателей началось в 1920 году во Франции, в 1925 году в Дании, в 1926 году в Нидерландах и в 1927 году в Германии. После нескольких лет испытаний в течение десятилетия были произведены сотни единиц.

Дизельные вагоны для региональных перевозок [ править ]

Дизельные или «масляные» железнодорожные вагоны, обычно дизельно-механические, были разработаны различными европейскими производителями в 1930-х годах, например Уильямом Бирдмором и компанией для Канадских национальных железных дорог (двигатель Beardmore Tornado впоследствии использовался в дирижабле R101 ) . Некоторые из этих серий для региональных перевозок были начаты с бензиновых двигателей, а затем продолжены дизельными двигателями, такими как венгерский BC ^mot (код класса ничего не говорит, кроме «рельсового двигателя с сиденьями 2-го и 3-го класса».), 128 автомобилей, построенных в 1926 году. –1937 г., или немецкие рельсовые автобусы Wismar (57 вагонов 1932–1941 гг.). Во Франции первым дизельным вагоном стал Renault VH., 115 единиц произведено 1933/34. В Италии после 6 бензиновых автомобилей с 1931 года Fiat и Breda построили много дизельных рельсовых двигателей, более 110 с 1933 по 1938 год и 390 с 1940 по 1953 год, класса 772, известного как Littorina , и класса ALn 900.

Скоростные вагоны [ править ]

В 1930-х годах в нескольких странах были разработаны модернизированные высокоскоростные дизельные железнодорожные вагоны:

• В Германии Flying Hamburger был построен в 1932 году. После тестовой поездки в декабре 1932 года этот двух туристический дизельный вагон (в английской терминологии DMU2) начал службу на Deutsche Reichsbahn (DRG) в феврале 1933 года. Он стал прототипом класса DRG. SVT 137 с еще 33 высокоскоростными DMU, ​​построенными для DRG до 1938 года, 13 DMU 2 (серия "Гамбург"), 18 DMU 3 (серии "Leipzig" и "Köln") и 2 DMU 4 (серия "Berlin").
• Французские SNCF классов XF 1000 и XF 1100 включали 11 высокоскоростных DMU, ​​также называемых TAR, построенных в 1934–1939 годах.
• В Венгрии компания Ganz Works построила рельсовый мотор Arpád  [ hu ; de ] , своего рода роскошный рельсовый автобус в серии из 7 единиц с 1934 года, и начали строить Hargita  [ hu ] в 1944 году.

Дальнейшее развитие [ править ]

В 1945 году партия из 30 тепловозов Болдуин, Болдуин 0-6-6-0 1000 , была доставлена ​​из США на железные дороги Советского Союза.

В 1947 году Лондонская Мидленд и Шотландская железная дорога представила первый из пары дизель-электрических локомотивов Co-Co мощностью 1600 л.с. (позже - British Rail Class D16 / 1 ) для регулярного использования в Соединенном Королевстве, хотя британские производители такие Поскольку Армстронг Уитворт экспортировал тепловозы с 1930 года. В 1957 году начались поставки для British Railways других конструкций, таких как Class 20 и Class 31.

Серийное производство тепловозов в Италии началось в середине 1950-х годов. Как правило, дизельная тяга в Италии имела меньшее значение, чем в других странах, поскольку она была одной из самых передовых стран в электрификации основных линий, и, в результате итальянской географии, даже на многих внутренних сообщениях грузовые перевозки по морю дешевле. чем железнодорожный транспорт.

Первые тепловозы и вагоны в Азии [ править ]

Япония [ править ]

В Японии, начиная с 20-х годов прошлого века, производилось несколько бензоэлектрических вагонов. Первыми дизель-электрическими тягачами и первыми воздушными транспортными средствами на японских рельсах были два DMU3 класса Kiha 43000 (キ ハ 43000 系). ^[34] Первой серией тепловозов в Японии были паровозы класса DD50 (国 鉄 DD50 twin), разработанные с 1950 г. и находящиеся в эксплуатации с 1953 г. ^[35]

Китай [ править ]

One of the first domestically-developed Diesel vehicles of China was the DMU Dongfeng (东风), produced in 1958 by CSR Sifang. Series production of China's first Diesel locomotive class, the DFH 1, began in 1964 following the construction of a prototype in 1959.

Early diesel locomotives and railcars in Australia[edit]

Транс-австралийская железная дорога построена в 1912 к 1917 году Содружество железных дорог (CR) проходит через 2000 км безводного (или соленую поливают) пустынную местность непригодной для паровозов. Первоначальный инженер Генри Дин предусматривал использование дизельного двигателя для преодоления таких проблем. ^[36] Некоторые предположили, что CR работала с Южно-Австралийскими железными дорогами над испытанием дизельной тяги. ^[37] Однако технология была недостаточно развита, чтобы быть надежной.

Как и в Европе, использование двигателей внутреннего сгорания в самоходных вагонах шире, чем в локомотивах.

• Некоторые австралийские железнодорожные компании купили вагоны McKeen .
• В 1920-х и 1930-х годах более надежные бензиновые рельсовые двигатели были построены австралийской промышленностью.
• Первыми дизельными железнодорожными вагонами в Австралии были автомобили Silver City Comet класса NSWGR 100 (позднее - DP) в 1937 году ^[38].
• Высокоскоростными транспортными средствами для возможностей того времени на 3 футах 6 дюймов ( 1067 мм ) были 10 вагонов Vulcan 1940 года для Новой Зеландии.

Типы передачи [ править ]

В отличие от паровых двигателей, двигатели внутреннего сгорания требуют трансмиссии для привода колес. Двигатель должен продолжать работать, когда локомотив остановлен.

Дизель-механический [ править ]

В дизель-механическом локомотиве используется механическая трансмиссия, аналогичная той, что используется в большинстве дорожных транспортных средств. Этот тип трансмиссии обычно ограничивается маломощными низкоскоростными маневровыми (переключающими) локомотивами, легковесными многоблочными единицами и самоходными железнодорожными вагонами .

Механические трансмиссии, используемые для движения по железной дороге, обычно более сложные и надежные, чем стандартные дорожные версии. Обычно между двигателем и коробкой передач находится гидравлическая муфта , а коробка передач часто бывает планетарной (планетарной) типа, что позволяет переключаться под нагрузкой. Были разработаны различные системы, чтобы минимизировать перерывы в трансмиссии при переключении передач; например, коробка передач SSS (синхронно-самопереключающаяся), используемая Hudswell Clarke .

Дизель-механическая силовая установка ограничена трудностью создания трансмиссии разумных размеров, способной справиться с мощностью и крутящим моментом, необходимыми для движения тяжелого поезда. Было предпринято несколько попыток использовать дизельно-механическую двигательную установку в приложениях большой мощности (например, локомотив British Rail 10100 мощностью 1500 кВт (2000 л.с.) ), но ни одна из них не оказалась успешной.

Дизель-электрический[ редактировать ]

В дизель-электрическом локомотиве дизельный двигатель приводит в действие либо электрический генератор постоянного тока (как правило, менее 3000 лошадиных сил (2200 кВт) для тяги), либо электрический генератор переменного тока-выпрямитель (обычно 3000 лошадиных сил (2200 кВт) или более для тяги), выход которого обеспечивает питание тяговых двигателей , приводящих в движение локомотив. Между дизельным двигателем и колесами нет механической связи.

Важными компонентами дизель-электрической силовой установки являются дизельный двигатель (также известный как первичный двигатель ), главный генератор / генератор-выпрямитель, тяговые двигатели (обычно с четырьмя или шестью осями) и система управления, состоящая из регулятора двигателя и электрические или электронные компоненты, включая распределительное устройство , выпрямители и другие компоненты, которые управляют или изменяют электропитание тяговых двигателей. В самом простом случае генератор может быть напрямую подключен к двигателям с помощью очень простого распределительного устройства.

Originally, the traction motors and generator were DC machines. Following the development of high-capacity silicon rectifiers in the 1960s, the DC generator was replaced by an alternator using a diode bridge to convert its output to DC. This advance greatly improved locomotive reliability and decreased generator maintenance costs by elimination of the commutator and brushes in the generator. Elimination of the brushes and commutator, in turn, eliminated the possibility of a particularly destructive type of event referred to as a flashover, which could result in immediate generator failure and, in some cases, start an engine room fire.

Текущая североамериканская практика предусматривает использование четырех осей для высокоскоростных пассажирских или «временных» грузов или шести осей для низкоскоростных или «явных» грузов. Самые современные подразделения грузовых перевозок «на время» обычно имеют шесть осей под рамой. В отличие от тех, что представлены в сервисе «манифест», у «временных» грузовых единиц только четыре оси будут подключены к тяговым двигателям, а две другие будут использоваться в качестве промежуточных осей для распределения веса.

В конце 1980-х годов разработка мощных приводов с регулируемым напряжением / переменной частотой (VVVF) или «тяговых инверторов» позволила использовать многофазные тяговые двигатели переменного тока, что также позволило отказаться от коммутатора двигателя и щеток. В результате получается более эффективный и надежный привод, который требует относительно небольшого обслуживания и лучше справляется с условиями перегрузки, которые часто разрушали старые типы двигателей.

Дизель-электрическое управление [ править ]

Выходная мощность тепловоза не зависит от скорости движения до тех пор, пока не превышаются пределы тока и напряжения генератора агрегата. Следовательно, способность агрегата развивать тяговое усилие (также называемое тяговым усилием дышла или тяговым усилием , которое фактически приводит поезд в движение) будет иметь тенденцию обратно пропорционально изменяться в зависимости от скорости в этих пределах. (См. Кривую мощности ниже). Поддержание приемлемых рабочих параметров было одним из основных конструктивных соображений, которые необходимо было решить на ранних этапах разработки дизель-электрических локомотивов, и, в конечном итоге, привело к созданию сложных систем управления на современных агрегатах.

Работа дроссельной заслонки [ править ]

Выходная мощность первичного двигателя в первую очередь определяется его скоростью вращения ( RPM ) и расходом топлива, которые регулируются регулятором или подобным механизмом. Регулятор разработан так, чтобы реагировать как на настройку дроссельной заслонки, определяемую водителем двигателя, так и на скорость, с которой работает первичный двигатель (см. Теория управления ).

Выходная мощность локомотива и, таким образом, скорость обычно регулируется машинистом двигателя с помощью ступенчатого или «зубчатого» дросселя, который производит двоичные электрические сигналы, соответствующие положению дроссельной заслонки. Эта базовая конструкция хорошо поддается составной единичной операции (MU), производя дискретные условия , которые гарантируют , что все узлы в состоят реагировать таким же образом , к положению дроссельной заслонки. Двоичное кодирование также помогает минимизировать количество железнодорожных линий (электрических соединений), необходимых для передачи сигналов от устройства к устройству. Например, для кодирования всех возможных положений дроссельной заслонки требуется всего четыре линии, если имеется до 14 стадий дросселирования.

Североамериканские локомотивы, такие как те, что построены EMD или General Electric , имеют восемь положений дроссельной заслонки или «выемок», а также «реверсор», позволяющий им работать в двух направлениях. Многие локомотивы британского производства имеют десятипозиционный дроссель. Позиции мощности часто упоминаются локомотивными бригадами в зависимости от настройки дроссельной заслонки, например, «пробег 3» или «отметка 3».

В старых локомотивах механизм дроссельной заслонки имел храповой механизм, так что за один раз было невозможно продвинуть более одного положения мощности. Водитель двигателя не мог, например, тянуть дроссель с выемки 2 до выемки 4, не останавливаясь в выемке 3. Эта функция была предназначена для предотвращения грубого управления поездом из-за резкого увеличения мощности, вызванного быстрым движением дроссельной заслонки («снятие дроссельной заслонки», нарушение правил эксплуатации на многих железных дорогах). Современные локомотивы больше не имеют этого ограничения, поскольку их системы управления могут плавно регулировать мощность и избегать резких изменений в загрузке поезда независимо от того, как машинист использует органы управления.

Когда дроссельная заслонка находится в положении холостого хода, первичный двигатель будет получать минимальное количество топлива, заставляя его работать на холостом ходу на низких оборотах. Кроме того, тяговые двигатели не будут подключены к основному генератору, и обмотки возбуждения генератора не будут возбуждены (запитаны) - генератор не будет вырабатывать электричество без возбуждения. Следовательно, локомотив будет на «нейтрали». Концептуально это то же самое, что перевести трансмиссию автомобиля в нейтральное положение при работающем двигателе.

Чтобы привести локомотив в движение, рукоятка управления реверсом переводится в правильное положение (вперед или назад), тормоз отпускается, а дроссель переводится в положение хода 1 (первая ступень мощности). Опытный водитель двигателя может выполнить эти действия скоординированно, что приведет к почти незаметному запуску. Позиционирование реверсора и движение дроссельной заслонки концептуально похоже на переключение автоматической трансмиссии автомобиля на передачу, когда двигатель работает на холостом ходу.

Установка дроссельной заслонки в первое положение мощности вызовет подключение тяговых двигателей к основному генератору и возбуждение катушек возбуждения последнего. При подаче возбуждения главный генератор подает электроэнергию на тяговые двигатели, приводя в движение. Если локомотив движется «налегке» (то есть не сцеплен с остальной частью поезда) и не находится на подъеме, он легко разгонится. С другой стороны, если запускается длинный поезд, локомотив может заглохнуть, как только будет устранена некоторая слабина, поскольку сопротивление, создаваемое поездом, превысит развиваемое тяговое усилие. Опытный водитель двигателя сможет распознать зарождающийся срыв и будет постепенно увеличивать дроссельную заслонку по мере необходимости, чтобы поддерживать темп ускорения.

As the throttle is moved to higher power notches, the fuel rate to the prime mover will increase, resulting in a corresponding increase in RPM and horsepower output. At the same time, main generator field excitation will be proportionally increased to absorb the higher power. This will translate into increased electrical output to the traction motors, with a corresponding increase in tractive force. Eventually, depending on the requirements of the train's schedule, the engine driver will have moved the throttle to the position of maximum power and will maintain it there until the train has accelerated to the desired speed.

The propulsion system is designed to produce maximum traction motor torque at start-up, which explains why modern locomotives are capable of starting trains weighing in excess of 15,000 tons, even on ascending grades. Current technology allows a locomotive to develop as much as 30% of its loaded driver weight in tractive force, amounting to 120,000 pounds-force (530 kN) of tractive force for a large, six-axle freight (goods) unit. In fact, a consist of such units can produce more than enough drawbar pull at start-up to damage or derail cars (if on a curve) or break couplers (the latter being referred to in North American railroad slang as "jerking a lung"). Therefore, it is incumbent upon the engine driver to carefully monitor the amount of power being applied at start-up to avoid damage. In particular, "jerking a lung" could be a calamitous matter if it were to occur on an ascending grade, except that the safety inherent in the correct operation of fail-safe automatic train brakes installed in wagons today, prevents runaway trains by automatically applying the wagon brakes when train line air pressure drops.

Propulsion system operation[edit]

A locomotive's control system is designed so that the main generator electrical power output is matched to any given engine speed. Given the innate characteristics of traction motors, as well as the way in which the motors are connected to the main generator, the generator will produce high current and low voltage at low locomotive speeds, gradually changing to low current and high voltage as the locomotive accelerates. Therefore, the net power produced by the locomotive will remain constant for any given throttle setting (see power curve graph for notch 8).

In older designs, the prime mover's governor and a companion device, the load regulator, play a central role in the control system. The governor has two external inputs: requested engine speed, determined by the engine driver's throttle setting, and actual engine speed (feedback). The governor has two external control outputs: fuel injector setting, which determines the engine fuel rate, and current regulator position, which affects main generator excitation. The governor also incorporates a separate overspeed protective mechanism that will immediately cut off the fuel supply to the injectors and sound an alarm in the cab in the event the prime mover exceeds a defined RPM. Not all of these inputs and outputs are necessarily electrical.

As the load on the engine changes, its rotational speed will also change. This is detected by the governor through a change in the engine speed feedback signal. The net effect is to adjust both the fuel rate and the load regulator position so that engine RPM and torque (and thus power output) will remain constant for any given throttle setting, regardless of actual road speed.

In newer designs controlled by a "traction computer," each engine speed step is allotted an appropriate power output, or "kW reference", in software. The computer compares this value with actual main generator power output, or "kW feedback", calculated from traction motor current and main generator voltage feedback values. The computer adjusts the feedback value to match the reference value by controlling the excitation of the main generator, as described above. The governor still has control of engine speed, but the load regulator no longer plays a central role in this type of control system. However, the load regulator is retained as a "back-up" in case of engine overload. Modern locomotives fitted with electronic fuel injection (EFI) may have no mechanical governor; however, a "virtual" load regulator and governor are retained with computer modules.

Traction motor performance is controlled either by varying the DC voltage output of the main generator, for DC motors, or by varying the frequency and voltage output of the VVVF for AC motors. With DC motors, various connection combinations are utilized to adapt the drive to varying operating conditions.

At standstill, main generator output is initially low voltage/high current, often in excess of 1000 amperes per motor at full power. When the locomotive is at or near standstill, current flow will be limited only by the DC resistance of the motor windings and interconnecting circuitry, as well as the capacity of the main generator itself. Torque in a series-wound motor is approximately proportional to the square of the current. Hence, the traction motors will produce their highest torque, causing the locomotive to develop maximum tractive effort, enabling it to overcome the inertia of the train. This effect is analogous to what happens in an automobile automatic transmission at start-up, where it is in first gear and thus producing maximum torque multiplication.

As the locomotive accelerates, the now-rotating motor armatures will start to generate a counter-electromotive force (back EMF, meaning the motors are also trying to act as generators), which will oppose the output of the main generator and cause traction motor current to decrease. Main generator voltage will correspondingly increase in an attempt to maintain motor power, but will eventually reach a plateau. At this point, the locomotive will essentially cease to accelerate, unless on a downgrade. Since this plateau will usually be reached at a speed substantially less than the maximum that may be desired, something must be done to change the drive characteristics to allow continued acceleration. This change is referred to as "transition", a process that is analogous to shifting gears in an automobile.

Transition methods include:

• Series / Parallel or "motor transition".
  • Initially, pairs of motors are connected in series across the main generator. At higher speed, motors are reconnected in parallel across the main generator.
• "Field shunting", "field diverting", or "weak fielding".
  • Resistance is connected in parallel with the motor field. This has the effect of increasing the armature current, producing a corresponding increase in motor torque and speed.

Both methods may also be combined, to increase the operating speed range.

• Generator / rectifier transition
  • Reconnecting the two separate internal main generator stator windings of two rectifiers from parallel to series to increase the output voltage.

In older locomotives, it was necessary for the engine driver to manually execute transition by use of a separate control. As an aid to performing transition at the right time, the load meter (an indicator that shows the engine driver how much current is being drawn by the traction motors) was calibrated to indicate at which points forward or backward transition should take place. Automatic transition was subsequently developed to produce better-operating efficiency and to protect the main generator and traction motors from overloading from improper transition.

Modern locomotives incorporate traction inverters, AC to DC, capable of delivering 1,200 volts (earlier traction generators, DC to DC, were capable of delivering only 600 volts). This improvement was accomplished largely through improvements in silicon diode technology. With the capability of delivering 1,200 volts to the traction motors, the need for "transition" was eliminated.

Dynamic braking[edit]

A common option on diesel–electric locomotives is dynamic (rheostatic) braking.

Dynamic braking takes advantage of the fact that the traction motor armatures are always rotating when the locomotive is in motion and that a motor can be made to act as a generator by separately exciting the field winding. When dynamic braking is utilized, the traction control circuits are configured as follows:

• The field winding of each traction motor is connected across the main generator.
• The armature of each traction motor is connected across a forced-air-cooled resistance grid (the dynamic braking grid) in the roof of the locomotive's hood.
• The prime mover RPM is increased and the main generator field is excited, causing a corresponding excitation of the traction motor fields.

The aggregate effect of the above is to cause each traction motor to generate electric power and dissipate it as heat in the dynamic braking grid. A fan connected across the grid provides forced-air cooling. Consequently, the fan is powered by the output of the traction motors and will tend to run faster and produce more airflow as more energy is applied to the grid.

Ultimately, the source of the energy dissipated in the dynamic braking grid is the motion of the locomotive as imparted to the traction motor armatures. Therefore, the traction motors impose drag and the locomotive acts as a brake. As speed decreases, the braking effect decays and usually becomes ineffective below approximately 16 km/h (10 mph), depending on the gear ratio between the traction motors and axles.

Dynamic braking is particularly beneficial when operating in mountainous regions; where there is always the danger of a runaway due to overheated friction brakes during descent. In such cases, dynamic brakes are usually applied in conjunction with the air brakes, the combined effect being referred to as blended braking. The use of blended braking can also assist in keeping the slack in a long train stretched as it crests a grade, helping to prevent a "run-in", an abrupt bunching of train slack that can cause a derailment. Blended braking is also commonly used with commuter trains to reduce wear and tear on the mechanical brakes that is a natural result of the numerous stops such trains typically make during a run.

Electro-diesel[edit]

These special locomotives can operate as an electric locomotive or as a diesel locomotive. The Long Island Rail Road, Metro-North Railroad and New Jersey Transit Rail Operations operate dual-mode diesel–electric/third-rail (catenary on NJTransit) locomotives between non-electrified territory and New York City because of a local law banning diesel-powered locomotives in Manhattan tunnels. For the same reason, Amtrak operates a fleet of dual-mode locomotives in the New York area. British Rail operated dual diesel–electric/electric locomotives designed to run primarily as electric locomotives with reduced power available when running on diesel power. This allowed railway yards to remain unelectrified, as the third rail power system is extremely hazardous in a yard area.

Diesel–hydraulic[edit]

Diesel–hydraulic locomotives use one or more torque converters, in combination with fixed ratio gears. Drive shafts and gears form the final drive to convey the power from the torque converters to the wheels, and to effect reverse. The difference between hydraulic and mechanical systems is where the speed and torque is adjusted. In the mechanical transmission system that has multiple ratios such as in a gear box, if there is a hydraulic section, it is only to allow the engine to run when the train is too slow or stopped. In the hydraulic system, hydraulics are the primary system for adapting engine speed and torque to the trains situation, with gear selection for only limited use, such as reverse gear.

Hydrostatic transmission[edit]

Hydraulic drive systems using a hydrostatic hydraulic drive system have been applied to rail use. Modern examples included 350 to 750 hp (260 to 560 kW) shunting locomotives by Cockerill (Belgium),^[39] 4 to 12 tonne 35 to 58 kW (47 to 78 hp) narrow gauge industrial locomotives by Atlas Copco subsidiary GIA.^[40] Hydrostatic drives are also utilised in railway maintenance machines (tampers, rail grinders).^[41]

Application of hydrostatic transmissions is generally limited to small shunting locomotives and rail maintenance equipment, as well as being used for non-tractive applications in diesel engines such as drives for traction motor fans.^{[citation needed]}

Hydrokinetic transmission[edit]

Hydrokinetic transmission (also called hydrodynamic transmission) uses a torque converter. A torque converter consists of three main parts, two of which rotate, and one (the stator) that has a lock preventing backwards rotation and adding output torque by redirecting the oil flow at low output RPM. All three main parts are sealed in an oil-filled housing. To match engine speed to load speed over the entire speed range of a locomotive some additional method is required to give sufficient range. One method is to follow the torque converter with a mechanical gearbox which switches ratios automatically, similar to an automatic transmission in an automobile. Another method is to provide several torque converters each with a range of variability covering part of the total required; all the torque converters are mechanically connected all the time, and the appropriate one for the speed range required is selected by filling it with oil and draining the others. The filling and draining is carried out with the transmission under load, and results in very smooth range changes with no break in the transmitted power.

Locomotives[edit]

Diesel-hydraulic locomotives are less efficient than diesel–electrics. The first-generation BR diesel hydraulics were significantly less efficient (c. 65%) than diesel electrics (c. 80%),^{[citation needed]} Moreover, initial versions were found in many countries to be mechanically more complicated and more likely to break down.^{[citation needed]} Hydraulic transmission for locomotives was developed in Germany.^{[citation needed]} There is still debate over the relative merits of hydraulic vs. electrical transmission systems: advantages claimed for hydraulic systems include lower weight, high reliability, and lower capital cost.^{[citation needed]}

By the 21st century, for diesel locomotive traction worldwide the majority of countries used diesel–electric designs, with diesel-hydraulic designs not found in use outside Germany and Japan, and some neighbouring states, where it is used in designs for freight work.

In Germany and Finland, diesel–hydraulic systems have achieved high reliability in operation.^{[citation needed]} In the UK the diesel–hydraulic principle gained a poor reputation due to the poor durability and reliability of the Maybach Mekydro hydraulic transmission.^{[citation needed]} Argument continues over the relative reliability of hydraulic systems, with questions over whether data has been manipulated to favour local suppliers over non-German ones.^{[citation needed]}

Multiple units[edit]

Diesel–hydraulic drive is common in multiple units, with various transmission designs used including Voith torque converters, and fluid couplings in combination with mechanical gearing.

The majority of British Rail's second generation passenger DMU stock used hydraulic transmission. In the 21st century, designs using hydraulic transmission include Bombardier's Turbostar, Talent, RegioSwinger families; diesel engined versions of the Siemens Desiro platform, and the Stadler Regio-Shuttle.

Examples[edit]

Diesel–hydraulic locomotives have a smaller market share than those with diesel–electric transmission – the main worldwide user of main-line hydraulic transmissions was the Federal Republic of Germany, with designs including the 1950s DB class V 200, and the 1960 and 1970s DB Class V 160 family. British Rail introduced a number of diesel-hydraulic designs during its 1955 Modernisation Plan, initially license-built versions of German designs (see Category:Diesel–hydraulic locomotives of Great Britain). In Spain, RENFE used high power to weight ratio twin-engine German designs to haul high speed trains from the 1960s to 1990s. (See RENFE Classes 340, 350, 352, 353, 354)

Other main-line locomotives of the post-war period included the 1950s GMD GMDH-1 experimental locomotives; the Henschel & Son built South African Class 61-000; in the 1960s Southern Pacific bought 18 Krauss-Maffei KM ML-4000 diesel–hydraulic locomotives. The Denver & Rio Grande Western Railroad also bought three, all of which were later sold to SP.^[42]

In Finland, over 200 Finnish-built VR class Dv12 and Dr14 diesel–hydraulics with Voith transmissions have been continuously used since the early 1960s. All units of Dr14 class and most units of Dv12 class are still in service. VR has abandoned some weak-conditioned units of 2700 series Dv12s.^[43]

In the 21st century series production standard gauge diesel–hydraulic designs include the Voith Gravita, ordered by Deutsche Bahn, and the Vossloh G2000 BB, G1206 and G1700 designs, all manufactured in Germany for freight use.

Diesel–steam[edit]

Steam-diesel hybrid locomotives can use steam generated from a boiler or diesel to power a piston engine. The Cristiani Compressed Steam System used a diesel engine to power a compressor to drive and recirculate steam produced by a boiler; effectively using steam as the power transmission medium, with the diesel engine being the prime mover^[44]

Diesel–pneumatic[edit]

The diesel-pneumatic locomotive was of interest in the 1930s because it offered the possibility of converting existing steam locomotives to diesel operation. The frame and cylinders of the steam locomotive would be retained and the boiler would be replaced by a diesel engine driving an air compressor. The problem was low thermal efficiency because of the large amount of energy wasted as heat in the air compressor. Attempts were made to compensate for this by using the diesel exhaust to re-heat the compressed air but these had limited success. A German proposal of 1929 did result in a prototype^[45] but a similar British proposal of 1932, to use an LNER Class R1 locomotive, never got beyond the design stage.

Multiple-unit operation[edit]

Most diesel locomotives are capable of multiple-unit operation (MU) as a means of increasing horsepower and tractive effort when hauling heavy trains. All North American locomotives, including export models, use a standardized AAR electrical control system interconnected by a 27-pin MU cable between the units. For UK-built locomotives, a number of incompatible control systems are used, but the most common is the Blue Star system, which is electro-pneumatic and fitted to most early diesel classes. A small number of types, typically higher-powered locomotives intended for passenger only work, do not have multiple control systems. In all cases, the electrical control connections made common to all units in a consist are referred to as trainlines. The result is that all locomotives in a consist behave as one in response to the engine driver's control movements.

The ability to couple diesel–electric locomotives in an MU fashion was first introduced in the EMD FT four-unit demonstrator that toured the United States in 1939. At the time, American railroad work rules required that each operating locomotive in a train had to have on board a full crew. EMD circumvented that requirement by coupling the individual units of the demonstrator with drawbars instead of conventional knuckle couplers and declaring the combination to be a single locomotive. Electrical interconnections were made so one engine driver could operate the entire consist from the head-end unit. Later on, work rules were amended and the semi-permanent coupling of units with drawbars was eliminated in favour of couplers, as servicing had proved to be somewhat cumbersome owing to the total length of the consist (about 200 feet or nearly 61 meters).

In mountainous regions, it is common to interpose helper locomotives in the middle of the train, both to provide the extra power needed to ascend a grade and to limit the amount of stress applied to the draft gear of the car coupled to the head-end power. The helper units in such distributed power configurations are controlled from the lead unit's cab through coded radio signals. Although this is technically not an MU configuration, the behaviour is the same as with physically interconnected units.

Cab arrangements[edit]

Cab arrangements vary by builder and operator. Practice in the U.S. has traditionally been for a cab at one end of the locomotive with limited visibility if the locomotive is not operated cab forward. This is not usually a problem as U.S. locomotives are usually operated in pairs, or threes, and arranged so that a cab is at each end of each set. European practice is usually for a cab at each end of the locomotive as trains are usually light enough to operate with one locomotive. Early U.S. practice was to add power units without cabs (booster or B units) and the arrangement was often A-B, A-A, A-B-A, A-B-B, or A-B-B-A where A was a unit with a cab. Center cabs were sometimes used for switch locomotives.

Cow-calf[edit]

In North American railroading, a cow-calf set is a pair of switcher-type locomotives: one (the cow) equipped with a driving cab, the other (the calf) without a cab, and controlled from the cow through cables. Cow-calf sets are used in heavy switching and hump yard service. Some are radio controlled without an operating engineer present in the cab. This arrangement is also known as master-slave. Where two connected units were present, EMD called these TR-2s (approximately 2,000 hp or 1,500 kW); where three units, TR-3s (approximately 3,000 hp or 2,200 kW).

Cow-calves have largely disappeared as these engine combinations exceeded their economic lifetimes many years ago.

Present North American practice is to pair two 3,000 hp (2,200 kW) GP40-2 or SD40-2 road switchers, often nearly worn-out and very soon ready for rebuilding or scrapping, and to utilize these for so-called "transfer" uses, for which the TR-2, TR-3 and TR-4 engines were originally intended, hence the designation TR, for "transfer".

Occasionally, the second unit may have its prime-mover and traction alternator removed and replaced by concrete or steel ballast and the power for traction obtained from the master unit. As a 16-cylinder prime-mover generally weighs in the 36,000-pound (16,000 kg) range, and a 3,000 hp (2,200 kW) traction alternator generally weighs in the 18,000-pound (8,200 kg) range, this would mean that 54,000 lb (24,000 kg) would be needed for ballast.

A pair of fully capable "Dash 2" units would be rated 6,000 hp (4,500 kW). A "Dash 2" pair where only one had a prime-mover/alternator would be rated 3,000 hp (2,200 kW), with all power provided by master, but the combination benefits from the tractive effort provided by the slave as engines in transfer service are seldom called upon to provide 3,000 hp (2,200 kW) much less 6,000 hp (4,500 kW) on a continuous basis.

Fittings and appliances[edit]

Flameproofing[edit]

A standard diesel locomotive presents a very low fire risk but "flame proofing" can reduce the risk even further. This involves fitting a water-filled box to the exhaust pipe to quench any red-hot carbon particles that may be emitted. Other precautions may include a fully insulated electrical system (neither side earthed to the frame) and all electric wiring enclosed in conduit.

The flameproof diesel locomotive has replaced the fireless steam locomotive in areas of high fire risk such as oil refineries and ammunition dumps. Preserved examples of flameproof diesel locomotives include:

• Francis Baily of Thatcham (ex-RAF Welford) at Southall Railway Centre
• Naworth (ex-National Coal Board) at the South Tynedale Railway^[46]

Latest development of the "Flameproof Diesel Vehicle Applied New Exhaust Gas Dry Type Treatment System" does not need the water supply.^[47]

Lights[edit]

The lights fitted to diesel locomotives vary from country to country. North American locomotives are fitted with two headlights (for safety in case one malfunctions) and a pair of ditch lights. The latter are fitted low down at the front and are designed to make the locomotive easily visible as it approaches a grade crossing. Older locomotives may be fitted with a Gyralite or Mars Light instead of the ditch lights.

Environmental impact[edit]

Although diesel locomotives generally emit less sulphur dioxide, a major pollutant to the environment, and greenhouse gases than steam locomotives, they are not completely clean in that respect.^[48] Furthermore, like other diesel powered vehicles, they emit nitrogen oxides and fine particles, which are a risk to public health. In fact, in this last respect diesel locomotives may pollute worse than steam locomotives.

For years, it was thought by American government scientists who measure air pollution that diesel locomotive engines were relatively clean and emitted far less health-threatening emissions than those of diesel trucks or other vehicles; however, the scientists discovered that because they used faulty estimates of the amount of fuel consumed by diesel locomotives, they grossly understated the amount of pollution generated annually. After revising their calculations, they concluded that the annual emissions of nitrogen oxide, a major ingredient in smog and acid rain, and soot would be by 2030 nearly twice what they originally assumed.^[49][50] In Europe, where most major railways have been electrified, there is less concern.

This would mean that diesel locomotives would be releasing more than 800,000 tons of nitrogen oxide and 25,000 tons of soot every year within a quarter of a century, in contrast to the EPA's previous projections of 480,000 tons of nitrogen dioxide and 12,000 tons of soot. Since this was discovered, to reduce the effects of the diesel locomotive on humans (who are breathing the noxious emissions) and on plants and animals, it is considered practical to install traps in the diesel engines to reduce pollution levels^[51] and other forms (e.g., use of biodiesel).

Diesel locomotive pollution has been of particular concern in the city of Chicago. The Chicago Tribune reported levels of diesel soot inside locomotives leaving Chicago at levels hundreds of times above what is normally found on streets outside.^[52] Residents of several neighborhoods are most likely exposed to diesel emissions at levels several times higher than the national average for urban areas.^[53]

Mitigation[edit]

In 2008, the United States Environmental Protection Agency (EPA) mandated regulations requiring all new or refurbished diesel locomotives to meet Tier II pollution standards that slash the amount of allowable soot by 90% and require an 80% reduction in nitrogen oxide emissions. See List of low emissions locomotives.

Other technologies that are being deployed to reduce locomotive emissions and fuel consumption include "Genset" switching locomotives and hybrid Green Goat designs. Genset locomotives use multiple smaller high-speed diesel engines and generators (generator sets), rather than a single medium-speed diesel engine and a single generator.^[54] Because of the cost of developing clean engines, these smaller high-speed engines are based on already developed truck engines. Green Goats are a type of hybrid switching locomotive utilizing a small diesel engine and a large bank of rechargeable batteries.^[55][56] Switching locomotives are of particular concern as they typically operate in a limited area, often in or near urban centers, and spend much of their time idling. Both designs reduce pollution below EPA Tier II standards and cut or eliminate emissions during idle.

Advantages over steam[edit]

As diesel locomotives advanced, the cost of manufacturing and operating them dropped, and they became cheaper to own and operate than steam locomotives. In North America, steam locomotives were custom-made for specific railway routes, so economies of scale were difficult to achieve.^[57] Though more complex to produce with exacting manufacturing tolerances (1⁄10000-inch or 0.0025-millimetre for diesel, compared with 1⁄100-inch (0.25 mm) for steam), diesel locomotive parts were easier to mass-produce. Baldwin Locomotive Works offered almost five hundred steam models in its heyday, while EMD offered fewer than ten diesel varieties.^[58] In the United Kingdom, British Railways built steam locomotives to standard designs from 1951 onwards. These included standard, interchangeable parts, making them cheaper to produce than the diesel locomotives then available. The capital cost per drawbar horse power was £13 6s (steam), £65 (diesel), £69 7s (turbine) and £17 13s (electric).^[59]

Diesel locomotives offer significant operating advantages over steam locomotives.^[60] They can safely be operated by one person, making them ideal for switching/shunting duties in yards (although for safety reasons many main-line diesel locomotives continue to have two-person crews: an engineer and a conductor/switchman) and the operating environment is much more attractive, being quieter, fully weatherproof and without the dirt and heat that is an inevitable part of operating a steam locomotive. Diesel locomotives can be worked in multiple with a single crew controlling multiple locomotives in a single train – something not practical with steam locomotives. This brought greater efficiencies to the operator, as individual locomotives could be relatively low-powered for use as a single unit on light duties but marshaled together to provide the power needed on a heavy train. With steam traction, a single very powerful and expensive locomotive was required for the heaviest trains or the operator resorted to double heading with multiple locomotives and crews, a method which was also expensive and brought with it its own operating difficulties.

Diesel engines can be started and stopped almost instantly, meaning that a diesel locomotive has the potential to incur no fuel costs when not being used. However, it is still the practice of large North American railroads to use straight water as a coolant in diesel engines instead of coolants that incorporate anti-freezing properties; this results in diesel locomotives being left idling when parked in cold climates instead of being completely shut down. A diesel engine can be left idling unattended for hours or even days, especially since practically every diesel engine used in locomotives has systems that automatically shut the engine down if problems such as a loss of oil pressure or coolant loss occur. Automatic start/stop systems are available which monitor coolant and engine temperatures. When the unit is close to having its coolant freeze, the system restarts the diesel engine to warm the coolant and other systems.^[61]

Steam locomotives require intensive maintenance, lubrication, and cleaning before, during, and after use. Preparing and firing a steam locomotive for use from cold can take many hours. They can be kept in readiness between uses with a low fire, but this requires regular stoking and frequent attention to maintain the level of water in the boiler. This may be necessary to prevent the water in the boiler freezing in cold climates, so long as the water supply is not frozen.

The maintenance and operational costs of steam locomotives were much higher than diesels. Annual maintenance costs for steam locomotives accounted for 25% of the initial purchase price. Spare parts were cast from wooden masters for specific locomotives. The sheer number of unique steam locomotives meant that there was no feasible way for spare-part inventories to be maintained.^[62] With diesel locomotives spare parts could be mass-produced and held in stock ready for use and many parts and sub-assemblies could be standardized across an operator's fleet using different models of locomotive from the same builder. Modern diesel locomotive engines are designed to allow the power assemblies (systems of working parts and their block interfaces) to be replaced while keeping the main block in the locomotive, which greatly reduces the time that a locomotive is out of revenue-generating service when it requires maintenance.^[27]

Steam engines required large quantities of coal and water, which were expensive variable operating costs.^[63] Further, the thermal efficiency of steam was considerably less than that of diesel engines. Diesel's theoretical studies demonstrated potential thermal efficiencies for a compression ignition engine of 36% (compared with 6–10% for steam), and an 1897 one-cylinder prototype operated at a remarkable 26% efficiency.^[64]

However, one study published in 1959 suggested that many of the comparisons between diesel and steam locomotives were made unfairly, mostly because diesels were a newer technology. After painstaking analysis of financial records and technological progress, the author found that if research had continued on steam technology instead of diesel, there would be negligible financial benefit in converting to diesel locomotion.^[65]

By the mid-1960s, diesel locomotives had effectively replaced steam locomotives where electric traction was not in use.^[63] Attempts to develop advanced steam technology continue in the 21st century, but have not had a significant effect.

See also[edit]

References[edit]

Sources[edit]

• Churella, Albert J. (1998). From Steam to Diesel: Managerial Customs and Organizational Capabilities in the Twentieth-Century American Locomotive Industry. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-02776-0.
• Pinkepank, Jerry A. (1973). The Second Diesel Spotter's Guide. Milwaukee WI: Kalmbach Books. ISBN 978-0-89024-026-7.

External links[edit]

Wikimedia Commons has media related to Diesel locomotives.

• US Government test of GP38-2 locomotive with biodiesel fuel.
• A 1926 article The Diesel Engine in Railway Transportation on Diesel locomotives
• Diesel locomotive