Многодизельные тепловозы
Цель создания тепловозов с многодизельной силовой установкой — повышение топливной экономичности, снижение вредных выбросов в атмосферу, улучшение условий труда машинистов. Поэтому данное направление в локомотивостроении США является привлекательным для инвестирования, постройки и глубокой модернизации тепловозов с заменой энергетических установок, а также на основе новых технологий — оборудования и систем управления.
Многодизельные тепловозы подтверждают в работе свои высокие тяговые и эксплуатационные характеристики, снижение расхода топлива.
Кроме того, сегодня в США развитие локомотивостроения в отмеченном направлении стимулируется постоянно ужесточающимися ограничениями, вводимыми Федеральным агентством по охране окружающей среды США (ЕРА). Это агентство объявило, что США и Канада участвуют в федеральной программе по уменьшению потребления топлива и сокращению вредных выхлопов в атмосферу.
При добровольном сотрудничестве железные дороги намечают уже в этом году сократить ежегодное потребление топлива примерно на 150 млн. баррелей* (1 баррель — 159 л), уменьшить выбросы вредных веществ — на 66 млн. т углекислого газа и 200 тыс. т окиси азота. Задача повышения энергоэффективности и экологичности решается закупкой нового подвижного состава, оборудованного двумя и более силовыми установками.
Впервые многодизельные тепловозы разработали и построили в Северной Америке. Это были, в основном, маневровые локомотивы с двумя и тремя дизелями небольшой мощности. В эксплуатации они позволили уменьшить потребление топлива, снизить вредные выбросы в атмосферу за счет отключения второго (третьего) дизеля при неполной нагрузке или на холостом ходу.
Как известно, при маневровой работе возможности тяговой единицы зачастую используются не в полной мере, тепловозы не реализуют свои мощности и сжигают вхолостую сотни тонн топлива. Поэтому одним из направлений развития маневровой тяги стала разработка двух- и многодизельных локомотивов, чтобы в зависимости от условий работы минимизировать эксплуатационные потери.
Внимание к маневровой, вывозной и хозяйственной работам объясняется тем, что в магистральном движении грузооборот нетто в тонно-милях на 1 галлон топлива превышает 457 (приблизительно 176 т-км/л), в то время как в маневровой работе показатели в несколько раз ниже. Это связано, прежде всего, с недоиспользованием мощности и длительной работой на холостом ходу.
Разработку многодизельного маневрово-вывозного тепловоза МР21В специалисты компании «MotivePower Industries»
(MPI, США) завершили в 2006 г. На локомотиве были установлены три дизеля «Cummins» QSK-19 мощностью по 700 л.с.
Использование этого тепловоза в маневровом движении позволяет сократить на 35 % расход дизельного топлива.
Компания «National Railway Equi pment» (NRE, США) выпустила несколько маневровых тепловозов семейства «N-ViroMotive», оснащенных двумя или тремя дизель-генера-торными силовыми агрегатами мощностью по 700 л.с. В 2007 г. компания изготовила два двухдизельных тепловоза для желез- Тепловоз серии 3GS-21В семейства «N-ViroMotive» ных дорог «Garland & Northeastern» и «Fort Worth & Western» (штат Техас).
Кроме того, экспериментально компания NRE построила два трехдизельных тепловоза для железной дороги I класса «Norfolk Southern» (штат Виргиния). Всесторонние эксплуатационные испытания трехдизельного тепловоза компания NRE проводила вместе с железной дорогой «Providence & Worcester Railroad».
Результаты испытаний показали, что при эксплуатации тепловозов семейства «N-ViroMotive» в сравнении с однодизельными сокращаются на 50 — 80 % вредные выбросы в окружающую среду, уменьшается на 35 — 50 % расход дизельного топлива. Кроме того, увеличивается на 50 — 65 % реализуемая сила тяги за счет улучшенного сцепления колес с рельсами, благодаря чему повышается производительность тепловозов.
В 2007 г. компания NRE получила заказ от железной дороги «Union Pacific» (UP) на 60 тепловозов с тремя силовыми агрегатами типа «Gen-Set» суммарной мощностью 2100 л.с. Эти локомотивы предназначались для замены 95 устаревших тепловозов, которые работают на сортировочных станциях дороги, расположенных в регионе Лос-Анджелеса.
При работе многодизельного тепловоза электронная микропроцессорная система управления мощностью подключает дополнительные установки при увеличении нагрузки. Применение таких локомотивов позволяет по разным источникам экономить от 15 до 27 % топлива (в зависимости от режима работы). Кроме того, значительно снижается шум при маневровой работе, наблюдается уменьшение до 50 % эмиссии СО2, сокращаются до 80 % вредные выбросы в атмосферу.
Корпорация «Brookville Equipment» (BE,США) выполнила программу испытаний и предлагает новый маневровый тепловоз семейства «CoGeneration», оснащенный тремя дизель-генераторными агрегатами суммарной мощностью 2100 л.с. Тяговая единица отличается низким удельным расходом дизельного топлива и отвечает самым строгим требованиям по охране окружающей среды, действующим в некоторых регионах штатов Калифорния и Техас.
Наличие трех силовых агрегатов позволяет реализовать принцип «мощность по потребности», а также исключить ее непроизводительное использование. Тепловоз оснащен самоочищающимися фильтрами, которые улавливают твердые частицы в выхлопных газах. Такие локомотивы предназначены для эксплуатации на железных дорогах I класса, а также на региональных и местных.
Установленная на тепловозах «CoGeneration» система электродинамического торможения с электронным управлением позволяет использовать вырабатываемую тяговыми двигателями электроэнергию для питания различных компонентов оборудования. Эту систему можно использовать как на маневровых, так и на маневрово-вывозных локомотивах, причем, процесс торможения возможен со снижением скорости до 1 км/ч.
Эффективность системы настолько высока, что энергия, которую она вырабатывает, эквивалентна тяговой мощности тепловоза. Это существенно повышает его общий КПД. Корпорация BE уже более 10 лет выпускает горно-шахтное оборудование, в котором используется подобное техническое решение.
Кроме того, на тепловозах «CoGeneration» для пуска дизельных двигателей применяется не обычный двигатель-стартер, а собственный генератор переменного тока. За счет этого существенно снижаются износ стартера, расходы на его обслуживание, вредные выбросы в атмосферу. Реализуется также возможность трогания с места и разгона тепловоза без расходования дизельного топлива до пуска основных дизелей. Все это позволяет существенно снизить общие эксплуатационные затраты.
Компания «Railpower» (США) на тепловозе RP20BH вместо дизель-генераторной установки большой мощности применила два дизель-генераторных агрегата меньшей мощности, а также аккумуляторную батарею увеличенной емкости. Такое решение повышает надежность тепловоза, удлиняет срок службы каждого из дизель-генераторных агрегатов, расширяет возможности оптимального регулирования. Тяговый привод может питаться от одного или от двух дизель-генераторных агрегатов, только от аккумуляторной батареи, а также от аккумуляторной батареи и одного или двух дизель-генераторных агрегатов.
Техническая характеристика тепловоза RP20BH
Осевая формула .................................................. .........2o+2q
Мощность дизеля, кВт............................................... ...2 х500
Напряжение аккумуляторной батареи, В.......................... 700
Емкость аккумуляторной батареи, А ч.............................. 600
Сила тяги длительного режима, кН.................................. 454
Скорость длительного режима, км/ч...............................20,5
Максимальная скорость, км/ч........................................ 104,6
Масса, т................................................. .......................124,74
На железной дороге UP испытывается двухдизельный маневровый локомотив RP20BH с рекуперативным торможением. Использование энергии рекуперации позволяет реже заряжать аккумуляторную батарею, а, следовательно, еще больше сокращает потребление топлива и выделение вредных веществ. Компания «Bombardier» пошла дальше и разработала четырехдизельный вариант магистрального тепловоза.
Новый локомотив представляет собой дальнейшее развитие конструктивной платформы TRAXX, на базе которой «Bombardier» строит электровозы и тепловозы разных модификаций. Только на железных дорогах Германии в настоящее время эксплуатируются более 680 локомотивов TRAXX. А всего компания «Bombardier» поставила на железные дороги 18 стран Европы более 1500 таких локомотивов.
Отличие представляемых тепловозов состоит в том, что каждый из них оснащен четырьмя (вместо одного) энергоэффективными промышленными дизельными двигателями «Caterpillar С18» мощностью 540 кВт, рассчитанными на тяжелые режимы работы. В экологическом отношении эти двигатели удовлетворяют всем требованиям европейских норм «Stage 111В» и Соединенных Штатов Америки «Tier 4».
Техническая характеристика многодизельного тепловоза с электропередачей серии TRAXX F140 DE ME
Ширина колеи, мм................................. 1435
Габарит подвижного состава ... МСЖД 505-1
Длина по сцепкам, мм.......................... 18900
Максимальная ширина кузова локомотива,
мм................................................ ......... 2977
Высота по глушителю, мм..................... 4264
База локомотива, мм............................ 10440
База тележки, мм................................... 2600
Диаметр колеса нового/изношенного,
мм................................................ 1250/1170
Служебная масса при 1/3 топлива, т........ 83
Осевая формула ..................................2д+2о
Дизель..............................4 х Caterpillar С18
Мощность дизелей, кВт......................... 2256
Преобразователь .... IGBT/Mitrac ТС 3320 DE
Количество тяговых двигателей..................4
Максимальная сила тяги при трогании с места, кН .................................................. ...... 300
Максимальная сила электрического тормоза, кН 150
Мощность динамического тормоза, кВт...............1600
Максимальная скорость, км/ч...............................140
Локомотивы конструктивной платформы TRAXX могут оптимальным образом приспосабливаться к различным условиям перевозочной работы в зависимости от массы ведомых поездов и требуемой скорости движения, включая или отключая отдельные дизели. При этом уменьшается потребление тепловозами топлива и смазочных материалов, снижаются эксплуатационные расходы.
Силовые агрегаты представляют собой компактные модули, которые в течение срока службы можно снимать для ремонта и модернизации, а также быстро заменять новыми или отремонтированными, что сокращает непроизводительные простои локомотивов. Сборку тепловозов выполняет завод «Bombardier» в Касселе (Германия), кузова изготавливает завод во Вроцлаве (Польша), тележки — завод в Зигене, электрооборудование тягового привода — заводы в Мангейме и Хеннигсдорфе (все три завода находятся в Германии).
Компания региональных перевозок железных дорог Германии «DB Regio» в апреле 2011 г. подписала с компанией «Bombardier» рамочный контракт на поставку в течение девяти лет 200 многодизельных тепловозов семейства TRAXX общей стоимостью примерно 600 млн. евро. Первый, твердо оформленный заказ, предусматривает поставку 20 таких тепловозов в пассажирском варианте исполнения (с конструкционной скоростью 160 км/ч) на сумму 62 млн. евро, начиная с середины 2013 г.
Т.Н. ЗАЙЦЕВА, начальник отдела Центра научно-технической информации и библиотек ОАО «РЖД», П.А. ПОЛИН, заместитель начальника отдела
