Admin

Инновационный подвижной состав

Компании-производители железнодорожного подвижного состава и комплектующего оборудования постоянно конкурируют в разработках инновационных технологий, направленных на снижение потребления энергоресурсов, сокращение выбросов вредных веществ в окружающую среду. Современные тенденции в области энергосбережения — расширение использования локомотивов с гибридным тяговым приводом.

В состав гибридной установки обычно входят двигатель внутреннего сгорания, редукторы, оси и гидравлическая система. Бортовое оборудование содержит также не менее одной электрической машины (двигатель-генератор), силовую электронику и накопитель энергии. В качестве последнего, как правило, выступают аккумуляторные батареи различных типов и конфигураций или суперконденсаторы. Специальные
конвейерные системы позволяют производить электронные приборы для локомотивов в больших объемах и с соблюдением технологии.

Кроме того, локомотив с гибридным приводом может включать тяговую силовую установку, реализованную на топливных элементах, которые дают энергию за счет протекающей химической реакции между водородом и кислородом. Аккумуляторная батарея или суперконденсатор заряжаются, когда осуществляется торможение, а в режиме тяги от накопленной энергии питаются электродвигатели, вращающие колесные пары.

Отдельную нишу занимают «тепло-электровозы» - гибридные локомотивы, представляющие собой тепловоз и электровоз в едином конструкционном испол-
нении. Такие машины предназначены для обслуживания челночных поездов как на электрифицированных, так и на неэлек-трифицированных участках. Примером может служить спроектированный для североамериканских железных дорог пассажирский гибридный локомотив ALP-45DP (рис. 1), разработанный компанией «Bombardier».


В кузове гибридного локомотива, помимо электровозного оборудования, размещены две дизель-генераторные установки. Дизели — высокооборотные (1800 об/мин) типа «Caterpillar» 3512С суммарной мощностью 3134 кВт. В автономном режиме локомотив может водить пассажирские поезда из 12-ти двухэтажных вагонов со скоростями до 160 км/ч, а в электровозном — реализовывать большую номинальную мощность — 4000 кВт. Таким образом, гибридный локомотив способен водить аналогичные поезда со скоростями до 200 км/ч.

А вот во Франции в 2007 г. на частично электрифицированных линиях введен в эксплуатацию пассажирский состав повышенной вместимости AGC (рис. 2) на два вида тяги. Избыточное потребление дизельного топлива при движении поезда по неэлектрифицированным участкам компенсируется экономией электроэнергии в случае его следования по электрифицированным линиям. Мощность состава AGC по дизелю 2 х 662 кВт, а в режиме электротяги — 1800 кВт.

Использование гибридных локомотивов позволяет повысить значение ряда важных эксплуатационных показателей. Учитывая разнообразие условий эксплуатации, значения могут незначительно меняться, но в целом основные преимущества следующие:

- снижение расхода топлива на 15 — 40 %;

- уменьшение затрат на техобслуживание на 15 %;

- сокращение уровня вредных выбросов на 10 — 50 %;

- значительно меньший уровень шума (снижение порядка 15 дБ).

Таким образом, при эксплуатации гибридного локомотива затраты за весь срок эксплуатации снизятся примерно на 30 % по сравнению с обычными тепловозами, не имеющими гибридного привода.

Разработки локомотивов с гибридным тяговым двигателем ведутся в разных странах мира. Так, компания «Alstom» стала основным сторонником гибридной технологии на рынке производства дизельных двигателей малого веса и первым производителем данного типа подвижного состава для коммерческой эксплуатации. В настоящее время «Alstom» приготовилась к выпуску нового поколения локомотивов, в которых гибридная технология является доминирующей.

Но не все инновации исходят только от производителей локомотивов. Компании-операторы сами экспериментируют в небольших масштабах с энергоэффективными технологиями. Пилотным проектом компании MTU и Германских железных дорог (DB AG), направленным на применение гибридных систем тягового привода в пассажирском рельсовом транспорте, является модернизация рельсового автобуса серии 642 «Desiro Classic» компании-оператора «DB Regio» (рис. 3).

Согласно данным компании MTU, дизель-поезда, рельсовые автобусы и автомотрисы, эксплуатирующиеся при относительно высокой скорости на линиях с короткими интервалами между остановочными пунктами, являются наиболее подходящими для внедрения гибридных систем тягового привода. На рельсовом автобусе установлена гибридная передача с параллельным электрическим приводом, включающая дизель-генераторную установку мощностью 400 кВт и модуль перезаряжаемых литиево-ионных аккумуляторных батарей (рис. 4).

Это инновационное решение предоставляет возможность преобразовывать кинетическую энергию в электрическую. Последняя накапливается и в последующем используется для создания дополнительного тягового усилия или питания вспомогательного оборудования. Чтобы проверить полученные данные с помощью компьютерного моделирования, на однопутном участке линии Ашаффенбург -Мильтенберг (Германия) провели ходовые испытания. На этом участке протяженностью 37 км расположено 14 остановочных пунктов, что является идеальным условием для демонстрации потенциала экономии дизельного топлива при максимальных значениях ускорения и торможения.


Другая разработка гибридного тягового подвижного состава была представлена на выставке «lnnoTrans-2006» в Берлине компанией «Alstom». Специалисты этой компании разработали 68-тонный маневровый локомотив с гибридным приводом (рис. 5), переоборудовав тепловоз с гидравлической передачей. Локомотив оснащен системой электрической тяги, которая содержит аккумуляторную батарею, дизель-генератор, преобразователи электроэнергии, электродвигатели и механическую трансмиссию. Дизельный двигатель «Deutz» мощностью 200 кВт приводит генератор, который заряжает никель-кадмиевую аккумуляторную батарею. От этого же генератора через преобразователи получают питание два тяговых двигателя.

Конструкцией локомотива предусмотрена его эксплуатация на генераторном и аккумуляторном питании или от двух источников питания одновременно — в этом случае мощность составляет 500 кВт. При работе в комбинированном режиме происходит подзарядка генератором аккумуляторной батареи, которая затем используется в качестве резервного (пикового) источника питания, обеспечивая дополнительную мощность во время эксплуатации в режиме тяги с максимальной нагрузкой.

В 2009 г. компания «Alstom» начала разработку совершенно нового типа локомотива. В результате был создан трехосный локомотив серии НЗ (рис. 6) с тремя обмоторенными осями. Специалисты «Alstom» полагают, что концепция трех осей придает конструкции локомотива легкость, а также снижает затраты на его эксплуатацию и текущее содержание. Однако ходовые характеристики трехосного локомотива обычно имеют некоторые ограничения для эксплуатации.

Исследования, проведенные компанией «Alstom», позволили спроектировать трехосный локомотив большой длины, способный развивать скорость до 100 км/ч, что важно для магистрального движения. При этом он без затруднений проходит кривые участки пути радиусом 60 м. Стоимость гибридного локомотива является достаточно высокой, но она компенсируется значительно более низкими эксплуатационными затратами. Экономия топлива из расчета на один локомотив данного типа может составить до 25 тыс. л в год.

Специалисты компании «Alstom» отмечают большую потребность в локомотивах цанного типа. В Европе парк тепловозов мощностью меньше 1000 кВт насчитывает около 3 тыс. единиц. В основном, они уже устарели и нуждаются в замене. При росте стоимости энергоносителей и ужесточении ограничений по уровню шума и выбросам С02 платформа НЗ имеет большой потенциал. В июле 2012 г. руководители компаний «Alstom» и «Volkswagen» подписали документ о намерениях в отношении поставки четырех гибридных локомотивов НЗ.

Компания «Bombardier» представила на выставке «lnnoTrans-2008» в Берлине революционные энергосберегающие технологии ЕС04: энергия, эффективность, экология и экономия. Важной особенностью портфеля ЕС04 является модуль рекуперативного торможения «Mitrac Energy Saver» на базе суперконденсаторов, благодаря которому обеспечивается экономия энергии до 30 %. В частности, технологии ЕС04 были реализованы на одной из самых передовых разработок в области подвижного состава для пригородных сообщений — электропоезде «Talent 2» (рис. 7), созданном для компании-оператора «DB Regio».

Летом 2007 г. компания «East Japan Railway Company», обеспечивающая пассажирские перевозки в восточных регионах Японии, ввела в коммерческую эксплуатацию первую промышленную серию из трех дизель-поездов с гибридным приводом. В частности, составы курсируют на линии Кобутидзава — Коморо. Гибридный поезд состоит из вагонов, имеющих дизельные двигатели мощностью 331 кВт, а также литиево-ионные аккумуляторные батареи емкостью 15,2 кВт-ч. По мнению специалистов компании «Hitachi», которые являются разработчиками поезда, при эксплуатации на напряженных линиях с частыми остановками он позволит сэкономить топливо и сократить выброс вредных частиц на 60 %.

Система, управляющая энергией, обеспечивает работу двигателя на наиболее эффективной частоте вращения его коленчатого вала. При этом излишняя, не требующаяся для тяги энергия, используется для зарядки аккумуляторной батареи. Чтобы снизить вредные выбросы, двигатель, когда в нем нет необходимости, можно отключить. Управляющая система автоматически использует батарею, если требуется дополнительная мощность (например, на подъеме или для дальнейшего ускорения).

Компания «Network Rail» (Великобритания) использует вагоны типа 43 «Hayabusa» производства компании «Hitachi» с гибридным приводом в составе своего скоростного измерительного дизель-поезда NMT (рис. 8). Особенность поезда состоит в том, что накопители энергии расположены в отдельной единице, поэтому моторный вагон остается постоянно сцепленным с расположенным за ним прицепным пассажирским вагоном.

Компания «Norfolk Southern» (США) построила аккумуляторный локомотив NS 999 на базе тепловоза EMD GP38 (рис. 9) в рамках программы по повышению экологичности своей деятельности. Разработанный с участием Федерального железнодорожного управления и университета Пенсильвании опытный образец локомотива мощностью 1500 л.с. имеет энергонакопительную систему на основе 1080 перезаряжаемых свинцовых аккумуляторов напряжением 12 В каждый. Также предусмотрена система рекуперации. Полной зарядки аккумуляторов достаточно для работы локомотива в течение трех смен.


Стремление американской компании «GE Transportation» разработать энергосберегающие технологии для железнодорожной индустрии привело к созданию прототипа тепловоза «Evolution Hybrid» (рис. 10) с гибридным приводом. Он оборудован батареями, которые накапливают энергию, вырабатываемую в процессе динамического торможения. Полученная энергия обеспечивает тепловозу дополнительную мощность в 2000 л.с. на короткий период времени, пока батареи не зарядятся снова. По оценкам специалистов компании, подобная технология позволяет сократить энергопотребление на 10 %.

В заключение следует отметить, что в условиях дефицита энергоресурсов энергосбережение является насущной необходимостью для железных дорог всех стран мира. Постоянно растущая стоимость топлива диктует условия, чтобы вносимые в тяговый подвижной состав новшества в итоге обязательно привели к снижению эксплуатационных затрат. Более того, компании-производители крайне положительно реагируют на малейшую возможность создания инновационного продукта с низким потреблением топлива.

На основе уже накопленного опыта можно сказать, что железные дороги обладают уникальным потенциалом внедрения гибридных систем тягового привода.

П.А. ПОЛИН, заместитель начальника отдела ЦНТИБ — филиала ОАО «РЖД»,
Н.Ю. ИВАНОВ, ведущий инженер

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin