Admin

Для маневрово-вывозной работы нужен дизель-электровоз

Вопросы экономии топливно-энергетических ресурсов стоят очень остро перед дирекциями тяги дорог России. Снижение эксплуатационных расходов, эффективное использование локомотивов, увеличение технической и участковой скоростей движения — первоочередные задачи железнодорожного транспорта. Решаться они должны путем оптимизации поездной и маневровой работ, обновления тягового подвижного состава и его модернизации, создания локомотивов, которые наиболее приспособлены для выполнения определенного вида перевозок.

В последние годы за рубежом, а теперь и в России появляются двухдизельные тепловозы, т.е. вместо одного дизель-генера-тора применяются два с той же суммарной мощностью. Смысл такого новшества понятен. На маневрах работает одна силовая установка, и только в тех редких случаях, когда необходима большая мощность, как правило, при выезде на перегон, задействованы оба дизеля. Не останавливаясь на конкретном воплощении таких локомотивов, надо сказать, что идея, безусловно, верна.

Как известно, сегодня пошли еще дальше, создав трехдизельный тепловоз, у которого кроме двух основных дизель-генераторов имеется еще третий — вспомогательный, мощность которого рассчитана на обеспечение питание цепей управления, освещения, отопления, привода компрессора. Кроме того, вспомогательный используется для обогрева основных дизелей во время перерывов в работе.

Большое внимание также уделяется применению альтернативных видов топлива, в частности, биотоплива и природного газа. Но пока эти попытки реальных результатов не приносят. Биотопливо (например, метиловый эфир рапсового масла) не обеспечено сырьем для сколько-нибудь серьезного промышленного производства. Да и применяться оно может как незначительная добавка к основному дизельному топливу. Сжатый природный газ может быть использован в газодизельных, газопоршневых и газотурбинных двигателях.

Применить газовую турбину на маневровом локомотиве достаточно сложно из-за часто меняющихся нагрузок. Газопоршневые двигатели необходимой мощности пока не нашли широкого распространения, к тому же, их КПД заведомо ниже, чем у дизелей. Опытные образцы маневровых тепловозов с газоди-зелями уже не первый год проходят испытания. Но эти силовые установки на холостом ходу и низких позициях контроллера работают как обычные дизели, т.е. на дизельном топливе.

Таким образом, на самых длительных по времени режимах маневровой работы газ не работает. Реальная экономия дизельного топлива на газотепловозе может быть достигнута только там, где продолжительно используется большая мощность, а таких мест работы очень мало. К тому же, применение сжатого природного газа создает дополнительные трудности, связанные с частыми и продолжительными заправками газа, а также обеспечением условий безопасности.

В качестве альтернативы приведенным проектам маневрового локомотива предлагаю дизель-электровоз, сочетающий в себе свойства тепловоза и электровоза. Такой локомотив может работать под контактным проводом как электровоз, а при выезде на неэлектрифицированные пути его тяговые двигатели получают питание от собственной дизель-генераторной установки. Таким образом, природный газ, работающий на тепловой электростанции, используется для тяги поездов.

Данная идея не нова. О целесообразности такого локомотива говорили еще на заре становления электрической и тепловозной тяги. Собственно, тяговые агрегаты типов ПЭ, ОПЭ и EL, которые многие годы строили для предприятий горнорудной промышленности, также являются подобными машинами. Но на отечественном магистральном железнодорожном транспорте ничего подобного не было.

Вероятно, сказывались межведомственные барьеры. Заводы, строившие тепловозы и электровозы, относились к разным министерствам. Да и между специалистами, которые работают в области электрической и автономной тяги, существовало определенное соперничество. Наряду с прочими проблемами это препятствовало внедрению таких универсальных локомотивов, которые в разных источниках называются то дизель-контактными локомотивами, то дизельными электровозами, то тяговыми агрегатами.

Тяговые агрегаты промышленного транспорта получили это название не столько благодаря двойному назначению, сколько из-за того, что они состоят из нескольких единиц (электровоза управления, дизельной секции, моторного думпкара). Поэтому далее в статье маневрово-вывозные локомотивы, которые способны работать и как электровозы, и как тепловозы, будем называть дизельными электровозами (дизель-электровозами).

Еще в 90-е годы на страницах журнала «Локомотив» (в то время он назывался «Электрическая и тепловозная тяга») с доводами о целесообразности применения дизель-электровоза выступил инженер Н.В. Кондрашов. На его предложение откликнулись ученые и специалисты локомотивного хозяйства. Казалось бы, все высказались «за», но дело так и не сдвинулось. Собственно, в те годы реализовать подобный проект было просто невозможно, так как отечественное машиностроение тогда находилось в застое.

Сказывалось также отсутствие элементной базы. Ведь для постройки дизель-электровоза требуются мощные преобразователи. Но время идет, обстоятельства меняются, да и техника не стоит на месте. В области электрических преобразователей и систем управления в последние годы произошла настоящая революция. Появилась возможность создавать малогабаритные преобразователи на GTO-тиристорах, рассчитанные на большие токи и повышенное напряжение.

Что же побуждает вновь возвратиться к теме постройки дизель-электровоза? Как известно, наибольший объем маневрово-вывозной работы приходится на направления с большим объемом грузовых и пассажирских перевозок, особенно на крупных узлах. Но ведь именно эти участки электрифицированы в первую очередь. Волей-неволей маневровые и вывозные тепловозы вынуждены эксплуатироваться также и под контактным проводом. Но перейти на электровозы нельзя — многие станционные и подъездные пути электрифицировать невозможно по технологическим причинам или нецелесообразно по экономическим. Вот и работают повсеместно тепловозы как универсальные «вездеходные» локомотивы.

Однако для эксплуатации мощного дизеля на тепловозе, который осуществляет маневры под контактным проводом, требуется в большом количестве дизельное топливо, экономия которого все больше становится актуальной задачей. Расходуется топливо и при работе дизеля на холостом ходу — ведь дизель невозможно останавливать при каждом технологическом перерыве в производстве маневров. К тому же, работа дизеля необходима для прогрева его систем, зарядки аккумуляторной батареи, привода компрессора и вентиляторов.

Когда провели анализ маневрово-вывозной работы на Московском узле, выяснили следующее. Отношение времени маневрового движения ко времени следования по перегонам составляет в среднем от 60:40 до 75:25. При этом вес поезда постоянно меняется от 100 до 2600 т. Осуществляя маневры, локомотив работает, в основном, в неустановившихся режимах. Наблюдения показали, что 50 % времени дизель маневрового тепловоза работает на холостом ходу, 7 — 9 % времени составляют установившиеся режимы и 30 — 40 % — переходные (набор-сброс позиций).

Во время длительного простоя тепловозов в зимний период требуется периодический прогрев силовых установок, чтобы поддерживать температуру воды в системе охлаждения дизеля. Это еще больше увеличивает непроизводительный расход дизельного топлива, а также ухудшает состояние силовых установок из-за длительной непрерывной работы на холостом ходу.

Более полувека предпринимаются попытки наладить прогрев неработающих тепловозных дизелей от котлов различных конструкций. Однако все эти попытки упираются в то, что при работе котлов электродвигатели вентилятора и топливного насоса питаются от аккумуляторной батареи, и после такого прогрева дизель можно просто не запустить. Время от времени появляются даже системы прогрева, включающие в себя небольшую автономную электростанцию с бензиновым или дизельным двигателем. Но такая система дорога и сложна. Дизель-электровоз же можно оснащать системой энергопитания от контактного провода цепей управления, освещения, зарядки аккумуляторной батареи, привода компрессора и, в том числе, обогрева дизеля.



Для частых троганий с места и разгонов требуются большие сцепной вес и тяговые усилия при одновременно ограниченной нагрузке от колесной пары на рельсы. Необходимо также обеспечить плавное вписывание экипажной части локомотива в кривые малого радиуса, прохождение участков пути со значительным переломом профиля, которые имеются на станционных и подъездных путях. Для маневрового тепловоза минимальный радиус проходимых кривых должен быть 75 — 80 м, а средняя нагрузка от колесной пары на рельсы — от 19 до 22,5 тс. При наличии в одном кузове оборудования для автономного и контактного режима работы общая масса локомотива резко увеличится, если сравнивать с массой существующих.

Чтобы сохранить нагрузку от колесной пары на рельсы в допустимых пределах, надлежит использовать восьмиосную экипажную часть с осевой формулой 2о+2о-2о+2о с индивидуальным приводом колесных пар или (более интересный, но еще не проработанный вариант) с групповым приводом на каждые две оси (мономоторный привод). Это позволит увеличить коэффициент использования сцепного веса и значительно уменьшить возможность боксования колесных пар. Кроме того, снизится масса экипажной части локомотива за счет уменьшения количества тяговых двигателей.

Когда локомотив осуществляет вспомогательные виды передвижений или маневры, следует учитывать, что его полная мощность используется довольно редко, в основном тяговое оборудование работает на промежуточных и переходных режимах. Это отрицательно сказывается на экономичности и надежности эксплуатации локомотива. Поэтому если будет поставлена задача на проектирование контактно-автономного локомотива, необходимо максимальную мощность рассчитывать, исходя из заданной критической массы поезда, а характеристики наиболее экономичных режимов закладывать в диапазон 50 — 70 % нагрузки.

Сформулируем основные требования к конструкции маневрово-вывозного дизель-электровоза. Переход с контактного на автономный режим работы должен осуществляться на ходу — без остановки поезда, независимо от скорости движения. В качестве дизель-генераторной установки надо использовать отработанную конструкцию с хорошо развитой ремонтной базой. При работе в контактном режиме необходимо предусмотреть возможность подогрева систем смазки и охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Конструкция дизель-электровоза должна обеспечивать удобное обслуживание и технологичность ремонта, экипажной части — вписывание в кривые радиусом 80 м и возможность работы на участках с легким верхним строением пути.

Таким образом, попробуем создать набросок проекта дизельного электровоза. При этом за основу возьмем метод блочно-модульного проектирования, скомпоновав тяговое и вспомогательное оборудование в укрупненные модули и блоки. В дальнейшем это позволит не только упростить техническое обслуживание и ремонт локомотива, но и предоставит возможность при необходимости модернизировать его без существенных финансовых затрат.

Выделим основные укрупненные модули комбинированной тяговой единицы (см. рисунок): дизель-генераторная установка с выпрямителем; охлаждающее устройство дизель-генера-тора; система охлаждения тяговых машин и преобразователей; быстродействующий выключатель (или главный выключатель); тяговый преобразователь (силовой трансформатор) или пуско-тормозные резисторы; преобразователь цепей управления; пневматическое оборудование и тормозной компрессор; аккумуляторная батарея; кабина машиниста.

Наиболее полно принятым условиям отвечает конструкция экипажной части по типу тепловоза ТЭМ7, при создании тележки которого учитывалось, что он будет использоваться для маневрово-вывозной и тяжелой горочной работ. Экипажная часть позволяет вписываться в кривые радиусом 80 м и проходить участки пути со значительным переломом профиля. Однако при диаметре колес по кругу катания 1050 мм будет невозможно использовать электровозные тяговые двигатели из-за ограничения габарита и особенностей конструкции.

Поэтому имеет смысл экипажную часть переработать под мономоторный привод, содержащий электровозные электродвигатели и двухступенчатый тяговый редуктор. Это позволит сделать тележки более компактными, снизить момент инерции относительно вертикальной оси, увеличить коэффициент использования сцепного веса. Мономоторный привод уменьшит склонность локомотива к боксованию.

В качестве источника энергии для автономного режима можно использовать дизель-генераторную установку, состоящую из дизеля 2-36ДГ мощностью 993 кВт или 36ДГ-01 мощностью 1765 кВт и тягового агрегата А-715У2 (синхронные генераторы — тяговый и собственных нужд в одном корпусе). Такой мощности будет вполне достаточно для производства маневровой работы любой сложности и вывозной по участку обслуживания. Дизель-генераторные установки типа 8ЧН26/26 Коломенского завода имеют отработанную конструкцию, небольшие габаритные размеры и хорошую ремонтопригодность.

Охлаждающее устройство (холодильник) дизеля — обычной конструкции, обеспечивающей удобный доступ к секциям радиатора и приводам вентиляторов охлаждения. Самый простой вариант — шахтного типа с раздельным регулированием температуры главного и вспомогательного контуров. Два вентилятора с механическим приводом от вала дизеля через гидромуфты с переменным наполнением обеспечат охлаждение и поддержание температуры теплоносителя в допустимых пределах при всех рабочих температурах наружного воздуха.

Для охлаждения тяговых электрических машин и преобразователей применимы раздельные приводы вентиляторов с асинхронными трехфазными электродвигателями, питание которых при работе в автономном режиме можно осуществлять от синхронного генератора собственных нужд, а в контактном режиме — через статический преобразователь. Мощность тяговых двигателей при трогании с места и работе в контактном режиме можно регулировать с помощью пуско-тормоз-ных резисторов и переключением соединений или через статический преобразователь.

В заключение, возвращаясь к приведенным в начале статьи проектам, отмечу, что значительная часть энергии дизельного топлива на дизель-электровозе замещается электроэнергией. Но так как она, в основном, вырабатывается на тепловых электростанциях, потребляющих природный газ, то получается, что предлагаемая тяговая единица обеспечивает реальное замещение дизельного топлива природным газом.

Инж. Д.Н. ЯЦКОВ, г. Москва

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin