Admin

Эффективность совершенствования локомотивной тяги

Д-р техн, наук В.Н. ИГИН, профессор РУТ (МНИТ), г. Москва

За последние три года локомотивный парк ОАО «РЖД» был значительно обновлен. Распоряжением Правительства РФ от 27.12.2014 № 2744-р «Об инвестиционных проектах ОАО "Российские железные дороги"» на сеть ОАО «РЖД» было поставлено более 1,5 тыс. единиц локомотивов. Общая стоимость проекта составила более 200 млрд руб. Основной целью данного проекта является обеспечение бесперебойной перевозки грузов и пассажиров, а также безопасности движения поездов.


Аренда локомотивов еще недостаточно распространена , в отличие от аренды автомобиля. Аренда авто в Москве позволяет сэкономить на затратах на транспорт, если вы сипользуете автомобиль лишь эпизодически.


Вновь закупаемые локомотивы представлены, в основном, новыми сериями (в частности, электровозы 2ЭС6, 2ЭС10, ЭП20, ЗЭС5К, ЗЭС4К; тепловозы 2ТЭ116УД, ЗТЭ116У, 2ТЭ25А, 2ТЭ25КМ, ТЭП70БС, ТЭМ9Н, ТЭМ18ДМ). Приобретение новых локомотивов направлено на достижение целей, обусловленных Стратегией развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008 № 877-р.


Учитывая значительную сумму вложенных средств на обновление парка, возникает закономерный вопрос: насколько цена отражает маркетинговые предложения производителей в части совершенствования локомотивов и соответствует ожиданиям покупателя в лице ОАО «РЖД» заявляемым потребительским, и, в особенности, тяговоэнергетическим свойствам?

Результатом этих ожиданий впоследствии может стать, например, сокращение размера парка путём удвоения тяги одного локомотива по сравнению с двумя заменяемыми, кратное увеличение межремонтных наработок локомотивов путём высокой их надежности, перевода управления локомотивом в одно лицо или существенное, например до 15 %, сокращение потребления дизельного топлива путем применения экономичных дизелей.


Поставленный вопрос является далеко не праздным и достаточно сложным. Четкий ответ на него позволит впоследствии Дирекции тяги ОАО «РЖД» как балансодержателю локомотивов организовывать и достоверно планировать работу во всех сферах деятельности локомотивного комплекса: от организации работы парка локомотивов и локомотивных бригад, планирования и нормирования всех видов ресурсов до постановки локомотивов в ремонт и их исключения из инвентарного парка.

Решение задачи оценки взаимосвязи между ценой и потребительскими свойствами локомотивов находится в области метода корреляционного анализа [1], опирающегося на понятие стохастической связи случайных величин. Стохастической связью называется такая связь, когда каждому значению одной переменной случайной величины соответствует несколько значений другой переменной величины. Примером такой связи служит разное количество отказов в интервале одинаковой межремонтной наработки одной серии локомотива или разная цена за различные серии локомотивов с одинаковыми тягово-энергетическими свойствами.

В качестве исходных данных для анализа берутся значения технических параметров локомотивов, приведенные в технических условиях на их поставку (ТУ). При этом исходим из того, что фактические значения технических параметров всех вновь закупленных локомотивов одной серии соответствуют значениям, приведенным в ТУ. Цену локомотива в связи со значительным колебанием рыночного курса рубля для удобства анализа представим в виде условных единиц их денежного эквивалента (у.е.).


Проиллюстрируем возможности метода корреляционного анализа на примере данных грузовых серий электровозов постоянного тока, произведенных в I960 — 1980-е годы и до сих пор составляющих значительную долю эксплуатируемого парка локомотивов. Определим наличие и тесноту стохастической связи между ценой и тяговоэнергетическими показателями технических параметров локомотивов, приведенных в табл. 1, предварительно введя обозначения тягово-энергетических параметров в соответствии с действующими нормативными документами [2, 3].

Предварительный анализ табличных данных показывает, что независимо от серии и цены локомотива значения конструкционной скорости vK и коэффициента технической готовности ктг остаются неизменными. Не обсуждая уровень значения этих величин, констатируем, что в данном конкретном случае они не меняются и потому в этом примере исключаются из дальнейшего анализа.

По значениям оставшихся пяти параметров локомотивов (цены, сцепной массы, силы тяги длительного режима, скорости длительного режима, касательной мощности длительного режима) были найдены значения коэффициентов линейной корреляции, которые представлены в матрице на рис. 1.

Анализ матрицы показывает, что все (исключая диагональные) значения коэффициентов корреляции составляют больше 0,9. Это указывает на наличие сильной стохастической связи, существующей между показателями технико-экономических параметров локомотивов.

По расчетным значениям коэффициентов корреляции на рис. 1 построен упорядоченный граф сопряженности технико-экономических параметров локомотивов. Опуская технические подробности построения, отметим лишь, что упорядочение производится на основании принципа максимального корреляционного пути с выбором наиболее сопряженных признаков. Приведенный на рис. 1 граф представляет собой кратчайший незамкнутый путь, в котором соединены все исследуемые параметры локомотивов.

Рассчитанное как среднее арифметическое коэффициентов корреляции, пороговое значение позволяет разбить полученный граф на подграфы, проводя разрыв между признаками со значением сопряженности, меньшим его расчетного значения.

Результатом выполненных действий при пороговом значении коэффициентов корреляции 0,98 стали две группы сопряженных между собой параметров. В первую группу входит цена локомотива, а во вторую — масса, сила тяги длительного режима, скорость и касательная мощность длительного режима электровоза. Таким образом, согласно установленному правилу, цена и тяговоэнергетические параметры локомотивов отнесены к разным группам сопряженных параметров. Мерой сопряженности анализируемых групп служит значение г^, коэффициента детерминации, равное 0,87.

Физический смысл данной величины означает, что 87 % цены определяют такое потребительское свойство, как способность реализации локомотивом касательной мощности NK, создающей силу тяги FKp при движении со скоростью vp длительного режима работы на расчетном подъеме. Полученная взаимосвязь тягово-энергетических параметров локомотивов на основе взвешенного инженерного подхода к выбору их значений находится в строгом соответствии с заявленным разработчиком и ожидаемым заказчиком потребительским свойством.

Невысокий (менее порогового значения) уровень сопряженности анализируемых групп параметров (цены и значений тяговоэнергетических параметров локомотивов) характерен для централизованного (административно-командного), а не рыночного способа назначения цены.

Следует отметить, что в условиях командного ценообразования установление цены происходит в сфере монопольного произ

водства. Цены назначают исходя из затрат на производство или услуги. В результате рынок не играет никакой существенной роли в ценообразовании. Он просто фиксирует спрос на уровне заранее заданного размера цен, не влияя при этом на их дальнейшее изменение и не отражая их влияние на формирование потребительских свойств локомотивов. При этом главным «выбираемым» параметром является мощность локомотива. Все остальные характеристики, в том числе основная — сила тяги, являются ее производными, причем на различных уровнях при разной мощности.

Несмотря на архаичный с точки зрения нынешнего мировосприятия подход к вопросу назначения цены и состава потребительских свойств локомотивов, имеются и положительные примеры их создания. Так, середина 1980-х годов была ознаменована постройкой в СССР сверхмощного (по тем временам) электровоза ВЛ 15. Рост мощности локомотива был обеспечен двумя путями: увеличением количества тяговых осей до 12 (против 8 у массовых серий электровозов ВЛ10) и повышением мощности тягового электродвигателя ТЛ-ЗБ (по сравнению с серийным ТЛ-2К) на 100 кВт. Для демонстрации роста тяги от реализации увеличенной мощности тягового привода разработчики были вынуждены понизить значение скорости длительного режима локомотива (по сравнению с серией ВЛ10) на 0,3 км/ч (или 2,5 %).

Проведенные комплексные мероприятия обеспечили замену двух электровозов ВЛ10 одним локомотивом ВЛ15 с одновременным сокращением мощности на 21,7 % и ростом силы тяги на 29,2 % в длительном режиме. Как видно из рис. 2, локомотив серии ВЛ 15 был и остается самым экономичным [4]. В рамках примененного подхода была сде-

лана оценка взаимосвязи между ценой и потребительскими свойствами тепловозов серии 2ТЭ116 и их модификаций, произведенных в настоящее время и по сформированным в условиях рынка ценам. Исходные значения показателей технико-экономических параметров грузовых тепловозов с передачей переменно-постоянного тока, создаваемых и оцениваемых в новых условиях рыночной экономики, приведены в табл. 2.

В условиях рынка ценообразование локомотива как товара происходит в сфере реализации продукции. Именно здесь сталкиваются спрос на продукцию или услугу, предложение, полезность предлагаемого товара, целесообразность его приобретения, качество и конкурентоспособность. Построенный локомотив и его цена проходят непосредственное испытание рынком, где цена и должна быть сформирована окончательно.

Предварительный анализ данных табл. 2 показывает, что характерной особенностью совершенствования серий тепловозов 2ТЭ116 является повышение их секционной мощности. При этом значения конструкционной скорости и коэффициента технической готовности остаются неизменными вот уже более 30 лет и ограничены как техническими возможностями заводов-изготовителей, так и состоянием инфраструктуры участков работы локомотивов. По этой причине в этом примере данные величины исключены из дальнейшего анализа. Кроме того, из-за слабой корреляции (менее 0,3) между ценой локомотива и скоростью длительного режима последняя также была исключена из анализа.

По значениям оставшихся пяти параметров локомотивов (эффективной мощности дизель-генераторной установки, цены, удельного эффективного расхода дизельного топлива, массы, силы тяги длительного режима) были найдены значения коэффициентов линейной корреляции, которые представлены в матрице на рис. 3. Анализ матрицы показывает, что все значения коэффициентов корреляции больше 0,9, что означает наличие между показателями параметров локомотивов сильной стохастической связи.

По расчетным значениям коэффициентов корреляции на рис. 3 построен упорядоченный граф сопряженности технико-экономических параметров локомотивов. С помощью порогового значения коэффициентов граф взаимосвязи параметров локомотивов разделен на группы.

По итогам проведенной операции при пороговом значении коэффициентов корреляции 0,977 были выявлены две группы сопряженных между собой параметров. Первую группу образуют эффективная мощность дизеля, цена тепловоза, удельный эффективный расход дизельного топлива, а вторую — масса и сила тяги длительного режима локомотива.

На рис. 3 легко заметить, что в соответствии с установленным правилом цена и сила тяги (основные характеристики локомотивов) отнесены к разным группам сопряженных параметров. Показатель меры сопряженности анализируемых групп (коэффициент детерминации) составляет 0,86. Это означает, что 86 % цены определяет такое потребительское свойство, как возможность развивать эффективную мощность тепловоза с удельным эффективным расходом дизельного топлива. Иными словами, 86 % цены связаны с затратами на показатели эффективной мощности дизеля и его топливной экономичности.

При этом основной параметр сила тяги определяется величиной сцепной массы тепловоза, которая ограничена силой сцепления колеса локомотива с рельсом. На практике это может означать лишь одно — увеличение цены вызвано повышением мощности и снижением удельного эффективного расхода топлива дизеля тепловоза без повышения при этом его силы тяги.

Полученная взаимосвязь характерна для монопольного производства и отражает несбалансированный, принятый на основе несопряженных между собой значений эффективной мощности и силы тяги подход к выбору тягово-энергетических параметров локомотивов.

Наглядным подтверждением к полученному выводу служат приведенные в табл. 2 данные тепловозов серий 2ТЭ116У и 2ТЭ116УД. При удорожании тепловоза 2ТЭ116УД (по сравнению с 2ТЭ116У) на 14,5 % и одновременном росте эффективной мощности дизеля на 17,0 % с понижением его удельного эффективного расхода топлива на 1,5 % сила тяги локомотива в длительном режиме как в первом, так и во втором случае имеет одно значение — 323,6 кН.

Приведенный пример — далеко не частный случай опытного нерасчетливого способа подбора дизеля для тепловоза. Подтверждением этому служит уравнение множественной регрессии между ценой локомотива, с одной стороны, и эффективной мощностью дизеля Ne и удельным эффективным расходом топлива де — с другой, которое получено по данным табл. 2 и приведено на рис. 3. Этим уравнением с вероятностью 95 % выражена тенденция сопряженности между ценой и показателями мощности и экономичности дизеля тепловоза, сложившаяся в современном отечественном локо-мотивостроении. Уровень достоверности уравнения оценен значением 0,999 коэффициента детерминации.

Сточки зрения физического смысла полученный результат означает, что в 99,9 % случаев оцениваемые и фактические значения параметров практически совпадают. При этом коэффициенты уравнения регрессии показывают, что с увеличением мощности дизеля на 1000 кВт цена тепловоза вырастет на 13,9 млн. у.е., а от понижения удельного эффективного расхода дизельного топлива на 1 г/кВт-ч — на 1,2 млн у.е.

Наличие такого вида уравнения регрессии позволяет определить, что цена одной секции тепловоза с силой тяги в длительном режиме 323,6 кН (как у 2ТЭ116У или 2ТЭ116УД) с вполне достаточным значением эффективной мощности дизеля 2400 кВт и удельным эффективным расходом дизельного топлива 198 г/кВт-ч, составит не более 70,4 млн.у.е.

Понижение цены локомотива на 10,2 млн. у.е. (по сравнению с серией 2ТЭ116УД) при сохранении тяговых свойств тепловоза-образца достигнуто путем уменьшения эффективной мощности дизеля на 700 кВт. В подтверждение верности рассуждений о целесообразности снижения эффективной мощности до умеренного значения приведем пример тепловоза серии 2ТЭ116УР с дизелем типа 20V4000R43(R63) фирмы «MTU» (Германия) мощностью 2700 кВт и удельным эффективным расходом топлива 205 г/кВт-ч. По итогам работы в 2015 г. (см. рис. 4) удельный расход дизельного топлива на тягу поездов этого тепловоза (при прочих равных показателях разных модификаций серии 2ТЭ116) оказался самым низким — 18,5 кг/изм. [4]. Отсюда следует вывод, что вопреки сложившемуся мнению производителей новой техники локомотивы с улучшенным показателем удельного эффективного расхода дизельного топлива, но повышенной эффективной мощности являются более энергозатратными в эксплуатации, чем локомотивы меньшей мощности. При этом маркетинговые заявления производителей о более экономичном новом локомотиве, опирающиеся на значения показателя удельного эффективного расхода дизельного топлива, принятом в машиностроении, не совпадают, а порой и просто противоречат ожиданиям балансодержателя, поскольку в эксплуатации они базируются на величине удельного расхода энергоносителя еу, выраженной в кг/104 т-км брутто.

Так, удельный эффективный расход дизельного топлива тепловоза 2ТЭ116УД (см. табл. 2) ниже значения аналогичного показателя тепловоза 2ТЭ116У на 1,5 %. В то же время, величина удельного расхода дизельного топлива тепловоза 2ТЭ116УД (см. рис. 4) выше аналогичного показателя тепловоза 2ТЭ11бУна 8,1 %.

Следует также добавить, что несмотря на удорожание, локомотивы повышенной мощности, как и менее мощные их прототипы, согласно заявленному значению коэффициента технической готовности, являются одинаково безотказными, ремонтопригодными и долговечными [5].

Теперь приведем пример иного рода, когда инженерные и маркетинговые решения, отрегулированные рынком предложений и услуг, характеризуются взаимным соответствием цены и эффективности локомотивов, а заявленные изготовителем потребительские свойства локомотивов в полной мере удовлетворяют ожидания их заказчика. В этом случае речь идет о согласованном изменении эффективной мощности и силы тяги с последующим сочетанием их значений и цены локомотива.

Покажем взаимосвязь между ценой и тягово-энергетическими свойствами тепловозов серий SD60MAC, SD70MAC, SD80MAC, SD90MAC, созданных электротяговым подразделением EMD компании «General Motors» (США) и фирмы «Siemens» (Германия). Данные тепловозы имеют передачу переменно-переменного тока, высокую осевую нагрузку и силу тяги и предназначены для тяжеловесного движения на железных дорогах Северной Америки [6]. Значения технико-экономических параметров тепловозов приведены в табл. 3. Предварительный анализ данных показывает, что характерным направлением совершенствования тепловозов серий SDMAC является повышение секционной мощности, сопровождаемое ростом силы тяги. При этом значение скорости длительного режима работы vp и удельный эффективный расход дизельного топлива де сохранены на прежнем уровне. По этой причине из последующего анализа эти величины исключены.

По значениям оставшихся пяти параметров локомотивов — массы Рсц, эффективной мощности дизель-генераторной установки Ne, цены С, конструкционной скорости vK, силы тяги длительного режима F„„ были найдены значения коэффициентов кр

линейной корреляции, которые приведены в матрице на рис. 5.

Анализ матрицы свидетельствует, что все значения коэффициентов корреляции (за исключением корреляции между массой и конструкционной скоростью тепловозов) находятся на уровне не ниже 0,7 и между показателями параметров существует сильная стохастическая связь. По расчетным значениям коэффициентов корреляции на рис. 5 построен упорядоченный граф сопряженности техникоэкономических параметров тепловозов. С помощью порогового значения коэффициентов полученный граф разделен на подграфы между признаками со значением сопряженности, меньшим его расчетного значения. В результате проведенной операции при пороговом значении 0,911 коэффициента корреляции были получены три группы сопряженных между собой параметров. Первую группу образует масса, вторую — эффективная мощность дизеля, цена тепловоза и сила тяги длительного режима, а третью — конструкционная скорость тепловоза.

На рис. 5 показано, что в соответствии с установленным правилом эффективная мощность дизеля, цена и сила тяги находятся в одной группе сопряженных параметров.

Показатель сопряженности полученных групп (коэффициент детерминации) равен 0,62. Это означает, что примерно 62% цены определяет такое потребительское свойство как возможность развивать эффективную мощность тепловоза и реализовать ее в виде касательной силы тяги. Иными словами, 62% цены сопряжены с затратами на получение эффективной мощности дизеля и ее преобразование в силу тяги тепловоза.

Приведенный пример отражает расчетный способ подбора тягово-энергетических значений параметров, который характеризуется согласованным изменением эффективной мощности и силы тяги и последующим сочетанием их значений с ценой локомотива. Выражением установленной связи служит уравнение множественной регрессии между ценой локомотива с одной стороны и эффективной мощностью дизеля и касательной силы тяги в длительном режиме работы — с другой. Данное выражение получено по данным табл. 3 и приведено на рис. 5. Этим уравнением с вероятностью 90% отражена тенденция сопряженности между ценой и показателями мощности и силы тяги локомотива. Уровень достоверности уравнения оценен значением 0,83 коэффициента детерминации.

Полученный результат означает, что в 83% случаев оцениваемые и фактические значения параметров практически совпадают. При этом коэффициенты уравнения регрессии показывают, что с увеличением мощности дизеля на 10ОО кВт цена тепловоза вырастет на 1,1 млн долл., а с повышением силы тяги на 10ОО кН — на 0,24 млн долл.
Полученные результаты расчета подкреплены конструктивно [7]. На тепловозе серии SD60MAC применено групповое (общее) регулирование трех двигателей каждой тележки от одного инвертора. Кроме того, практически реализованы коэффициенты сцепления от 0,35 и выше, что связано не только с принятым решением по инверторам, но и с применением тележек, имеющих радиально направляемые в кривых колеса. При реализации высоких показателей сцепления колеса с рельсом было, в частности, показано, что три тепловоза SD60MAC мощностью 2940 кВт способны заменить пять тепловозов серии SD40-2 мощностью 2206 кВт или четыре новейших тепловоза мощностью 2940 кВт.

Как показал опыт дороги «Burlington Northern Railroad», сокращение потребного парка локомотивов (пять старых тепловозов заменяются тремя новыми) и применение системы электронного впрыска позволяют получить экономию до 15 % топлива за срок службы каждого тепловоза [7].

Приведенные выше примеры показывают,

что приоритетным направлением обновления парка является предпочтение односекционным локомотивам с сопряженными по цене и согласованными между собой значениями параметров эффективной мощности и силы тяги. Такой подход, подкрепленный известными способами повышения силы тяги, в частности, применением асинхронного тягового привода, увеличением осевой нагрузки (до 245 кН), числа тяговых осей в секции (от 4 до 8) и поосным регулированием силы тяги, позволит ограничить неоправданный рост стоимости локомотивов и затрат на их содержание.

Дополнительным, но пока еще до конца не реализованным резервом повышения энергетической эффективности и снижения экологической безопасности тепловозов

является электронная система управления впрыском топлива (ЭСУВТ), применяемая в настоящее время ограниченной партией на дизелях маневровых тепловозов серий ТЭМ2 и ТЭМ18ДМ. Система ЭСУВТ позволяет автоматически отключать половину цилиндров для работы на пониженной частоте вращения холостого хода, тем самым увеличивая цикловую подачу топлива в оставшиеся рабочие цилиндры. В ближайшей перспективе данной системой планируется оборудовать магистральные тепловозы серии 2ТЭ116.

Именно таким усовершенствованным, сбалансированным по мощности, силе тяги и экономичности локомотивам, потенциально расположенным к снижению издержек в эксплуатации путем перевода их управления в одно лицо и возможности кратного замещения, ведущих сплоткой поезд одним локомотивом, по силам решать задачи безопасной, бесперебойной и эффективной доставки грузов и пассажиров.

Библиография

1. Закс Л. Статистическое оценивание (пер. с нем. В.Н. Варыгина); под ред. Ю.П. Адлера, В.Г. Горского. М.: Статистика, 1976.598 с.

2. ГОСТ Р 56046-2014. Показатели использования локомотивов. Термины и определения: введен в действие 01.09.2014. М.: ФГУП «Стандартинформ», 2015.24 с.

3. Правила тяговых расчетов для поездной работы. Утверждены распоряжением ОАО «РЖД» от 12.05.2016 № 867р. 510с.

4. Игин В.Н., Новиков А.Ю., Игин Ф.В. Повышение энергетической эффективности локомотивов // Железнодорожный транспорт. 2016. № 3. С. 69 — 72.

5. Положение о системе технического обслуживания и ремонта локомотивов ОАО «РЖД» от 17.01.2005 № Зр,

6. USA/RAILWAY SYSTEMS. Jane s' world railways, 1992 — 1993, Burlington Northern. P. 715.

7. G. Welty. Railway Age, 1997, № 7, P. 33,34,36 — 38.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

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