бабулер23

«Умный» грузовой поезд

Е.И. ЖИРОУХОВ, заведующий Научно-исследовательской лабораторией «Вес поезда» Уральского государственного университета путей сообщения

Одной из приоритетных задач комплексной программы инновационного развития холдинга «Российские железные дороги» является реализация научно-технического проекта «Цифровая железная дорога» (ЦЖД). Основой формирования технологий ЦЖД является интеграция интеллектуальных коммуникационных технологий между пользователем, транспортным средством,
системой управления и инфраструктурой. Условно структуру ЦЖД можно представить схемой на рис. 1.

Грузовые поезда, являясь наиболее массовыми на железнодорожном транспорте, полноценно не участвуют в этом процессе, что, на наш взгляд, значительно снижает возможности цифровизации. То же относится и к ИСУЖТ — единой интеллектуальной системе управления и автоматизации производственных процессов на железнодорожном транспорте.

Для того чтобы решить этот вопрос, нужны «умные» («интеллектуальные») грузовые поезда. Такие поезда должны удовлетворят запросам и требованиям всех основных участников перевозочного процесса. При этом каждый из участников вкладывает в понятие «умный» грузовой поезд различные смыслы, соответствующие его непосредственным интересам, например, от точного определения местонахождения конкретного грузового вагона (для грузоотправителя) до кибербезопасности при вождении соединенных грузовых поездов (для оперативного персонала).

На наш взгляд, понятие «умный» грузовой поезд целесообразно определить следующим образом: грузовой поезд, содержащий локомотив и вагоны современного типа, обладающие свойствами автоматического контроля технического состояния ответственных и ходовых частей высокотехнологичными устройствами с оценкой их функционирования и безопасности, имеющий внутрипоездной беспроводной канал обмена телемеханической информацией, а также внешние радиоканалы для приема и передачи командной и известительной информации.


Локомотивы современного типа практически являются достаточно «умными», недостает только аппаратуры для внутри-поездного обмена телемеханической информацией. Но для этого нужны «умные» грузовые вагоны, оснащенные соответствующим оборудованием. Основными автоматическими свойствами таких вагонов должны быть:

- контроль состояния букс — нагрев, сдвиг, дефекты подшипников;

- определение дефектов колес — ползунов, выщербин, неравномерного проката;

- контроль работы воздухораспределителей и неистощимости тормозов;

- оценка ресурса (фактического состояния) — контроль по загрузке, датчик фактического пробега, регистратор механических воздействий;

- контроль схода оси или тележки;

- активная идентификация, контроль сохранности груза (целостности контейнеров).

При этом, на наш взгляд, целесообразна очередность создания «умного» грузового вагона, представленная на рис. 2.

Почему первоочередное внимание должно быть уделено тормозам? Причины следующие. Как известно, автоматические тормоза были запатентованы Дж. Вестингаузом в 1872 г. Первое их применение на грузовых поездах было осуществлено в 1887 г. в виде скородействующих тройных клапанов. С тех пор автотормоза непрерывно совершенствовались, в том числе и выдающимися нашими соотечественниками. Основные научно-технические решения первой половины XX века оказались настолько эффективными, что используются до сих пор.

В настоящее время, и это можно сказать достаточно обоснованно, автотормоза в том виде, как они есть, достигли предела своего технического развития. Основные качественные признаки, определяющие свойства тормозной системы, уже не удовлетворяют современным требованиям и принципиально не могут быть улучшены. В первую очередь, к ним относятся скорость тормозной волны и особенно скорость отпускной волны.

При существующих значениях этих скоростей мы имеем такую продольную динамику грузового поезда, которая не только отрицательно воздействует на подвижной состав и находящиеся в нем грузы, но и — основное — оказывает «вредное» воздействие на путь, особенно на участках с кривыми малого радиуса. Наиболее заметно «вредное» влияние от тяжеловесных, длинносоставных и соединенных поездов — а это перспектива развития железнодорожного транспорта.

Так, по исследованиям А.М. Аксёновой (КЖТ УрГУПС), сравнившей текущие эксплуатационные затраты на содержание пути (переходы зима-лето, лето-зима) двух примерно одинаковых по длине и грузонапряженности участков Свердловской дороги, при вводе на одном из них в обращение грузовых поездов массой 9000 т затраты возрастают в 6,5 раз.

В настоящее время имеются мощные локомотивы, позволяющие водить грузовые поезда массой вплоть до 15 тыс. т с тягой в голове состава, но ограничения по тормозам делать это не позволяют.

Сюда же следует добавить и то, что из-за низкой скорости отпускной волны высока вероятность повреждения поверхности катания колес вагонов, находящихся в хвосте состава, по причине несоответствия их круговой и линейной скоростей. Последовательное неодновременное срабатывание воздухораспределителей при торможении, и тем более при отпуске, приводит к необходимости использовать специальные приемы управления автотормозами: применять кран вспомогательного тормоза локомотива, длительные выдержки после отпуска тормозов перед набором тяги и т.п. Иногда вообще приходится тормозить тяжеловесный поезд до остановки, если скорость не превышает 30 км/ч.

По разным источникам информации, «тормозные» дефекты на грузовых вагонах составляют от 50 % (ВНИИЖТ; Ю.С. Ромен) до 75 % (УрГУПС; Ю.В. Зыков, Е.И. Си-гилева). И в этом вопросе не помогут никакие устройства, временно устанавливаемые в хвосте или по составу поезда и управляемые по радиоканалу: они могут ускорить только процесс торможения, но никак не процесс отпуска (табл. 1).

Следует заметить, что наибольшие продольные усилия развиваются как раз в режиме отпуска тормозов, когда и фиксируется большинство обрывов автосцепок. На рис. 3 представлены расчетные усилия: при торможении сжимающие — по оси ординат вверх; при отпуске растягивающие — по оси ординат вниз. Красной линией отмечено снижение сжимающих усилий при торможении с хвостовым устройством. Правда, следует заметить, что имелся небольшой опыт в США, где в хвосте состава устанавливалась специальная платформа с дистанционно управляемыми компрессорами.

Необходимость повышения технической скорости движения грузовых поездов, особенно ускоренных контейнерных, до 95 — 100 км/ч приведет к тому, что их тормозные пути не будут укладываться в существующие длины блок-участков, что и показывают соответствующие расчеты. Проблематичной остается и управляемость тормозов, обеспечивающая точность регулирования скорости. По нашим подсчетам, из-за чрезмерного снижения скорости при выполнении ограничений и последующего подтягивания до установленной величины РЖД теряют порядка 1,5 млрд руб. в год. Данные потери обусловлены не квалификацией машинистов, а невозможностью точного выполнения желаемой ступени торможения (усугубляемой классом точности локомотивных манометров) и точного ее поддержания.

Особо следует остановиться на электро-пневматическом торможении (ЭПТ). Так как преимущества ЭПТ в грузовых поездах совершенно очевидны, то в СССР и других странах неоднократно предпринимались попытки его внедрения. Например, в 1965 г. с ЭПТ были выпущены 100 шестиосных и 200 четырехосных вагонов производства Уралвагонзавода, 100 четырехосных цистерн производства Ждановского (тогда) завода, Харьковским заводом «Транссвязь» было выпущено 20 комплектов локомотивных устройств.

С этим проводным оборудованием были проведены эксплуатационные испытания, которые показали снижение продольно-динамических сил при торможениях более чем в два раза. Затем это оборудование успешно работало в углевозных «вертушках» на Кузбассе.

В 1969 г. на Закавказской железной дороге комиссиями МСЖД и ОСЖД был принят 80-вагонный грузовой состав, оборудованный проводным ЭПТ с напряжением в голове состава 150 В. В конце XX века и начале нынешнего большие работы по ЭПТ для грузовых поездов были выполнены в США. В 2007 г. FRA (Федеральная железнодорожная администрация) приняла решение о переводе в течение десяти лет 1,3 млн ед. подвижного состава на ЭПТ. Заметим, что в США ЭПТ представляют собой электронно-пневматические тормоза (ЕСР), управляемые по проводам (кабелю) с начальным напряжением 220 — 230 В. Известна также европейская система FEBIS с аналогичными параметрами.

Интересная деталь. При появлении тормозов ЕСР у железнодорожной администрации США возникла проблема: машинисты стали излишне тормозить — настолько им понравилась новая система.

В 2003 — 2005 гг. учеными Уральского государственного университета путей сообщения (УрГУПС) и ВНИИЖТ по заказу МПС, а затем ОАО «РЖД» была разработана беспроводная распределенная система электро-пневматического управления автотормозами грузовых поездов, названная «Беспроводной электропневматический тормоз (БЭПТ)». Особенность данной системы заключается в том, что она

является «накладываемой» на существующую систему автотормозов, которая полностью сохраняется, и в случае отказа БЭПТ функционирует установленным порядком.

Однако имевшиеся тогда сбои с финансированием не дали возможности провести натурные испытания. Потом возобладало ошибочное мнение, что на ЭПТ придется одномоментно переводить весь парк грузовых вагонов, включая и страны СНГ за счет РФ. В результате работы были вообще прекращены.

Тем не менее, в 2009 — 2011 гг. специалисты УрГУПС, научно-производственного предприятия «КОНСУЛ-Т» (г. Екатеринбург) и ООО «Технопроект» (г. Пенза) в инициативном порядке заново выполнили разработку БЭПТ на основе новейших технических достижений и инновационных технологий. Были проработаны все научные и технические аспекты, изготовлены экспериментальные образцы (50 вагонокомплектов радиоэлектронного оборудования, образцы исполнительных электропневматических частей, образцы буксовых вагонных генераторов), проведены все виды лабораторных испытаний, выполнены натурные станционные и ходовые испытания.


При разработке принципов построения беспроводного электропневматического тормоза (БЭПТ) для грузовых поездов учитывались следующие определяющие предпосылки:

- необходимость принципиального повышения быстродействия и управляемости автотормозов;

- потребность снижения объемов и сроков выполнения периодического обслуживания тормозного оборудования, увеличения гарантийных участков в несколько раз;

- минимум внесения изменений (на данном этапе) в существующие технологии формирования грузовых составов и управления тормозами, технические средства и техническое обслуживание автотормозов в грузовых поездах;

- существующие квалификация и менталитет персонала, обслуживающего тормоза грузовых поездов;

- электромагнитная совместимость со всеми видами электронных и радиотехнических изделий, используемых на железнодорожном транспорте;

- использование частотного диапазона, обеспечивающего устойчивую радиосвязь при любых метеоусловиях и в искусственных сооружениях (мосты, тоннели и т.п.) на заданное расстояние;

- сохранение работоспособности системы при отказе аппаратуры на отдельных вагонах и при постановке в состав отдельных необорудованных вагонов;

- возможность быстрого расширения функций системы в направлении внутри-поездной диагностики технического состояния всех ответственных и ходовых частей каждого вагона — создание внутрипоезд-ной информационно-диагностической системы, «интеллектуального» грузового поезда.

Отсюда следует, что исполнительные органы БЭПТ должны быть автоматического типа, т.е. сохранена существующая система торможения с наложением на нее дополнительных устройств, значительно ускоряющих процессы торможения и отпуска. Данный подход обеспечивает высокую надежность управления автотормозами грузовых поездов и повышение безопасности их движения.

Были проведены натурные станционные испытания с частично установленными исполнительными электропневматиче-скими частями, а также ходовые натурные испытания радиотехнического и электронного оборудования на горном участке повышенной трудности. Испытания
показали: скорости воздушной тормозной и отпускной волн возросли до 10 000 м/с, что в 33 раза превышает декларируемую скорость тормозной волны и в 200 (!) раз — скорость отпускной волны. Наличие таких скоростей позволяет снять ограничения на длину грузового поезда при тяге с «головы» по продольной динамике при торможениях (рис. 4).

Выполненные исследования по передаче информации в различных радиочастотных диапазонах на подвижном составе железных дорог показали, что наиболее целесообразно выбрать диапазон 2,4 ГГц. Испытания в этом диапазоне показали устойчивую связь порядка 100 м при выходной мощности передатчика до 100 мВт, что обеспечивает необходимую дальность связи, полную электромагнитную совместимость со всеми другими радиоэлектронными средствами и не требует «громоздких» согласований с разрешительными радиочастотными органами.

На рис. 5 представлена общая схема беспроводного электропневматического тормоза на грузовом поезде. Система беспроводного ЭПТ состоит из локомотивного комплекта и комплектов, размещаемых на вагонах. Система содержит установленные на локомотиве штатный кран машиниста с электрическим контроллером, воздействующий на тормозную магистраль, соединенный с управляющим контроллером, который соединен с индикационным табло и радиомодулями (кран машиниста типа № 395-4 с электрическим контроллером или с контроллером типа ККМ-ЦГМ или кран машиниста с дистанционным управлением № 130).

Индикационное табло может размещаться в дополнительном пульте управления тормозами, устанавливаемом на стадии отработки технических решений и технологии управления тормозами с использованием БЭПТ, или в штатном дисплее локомотива. На каждом вагоне монтируется управляющий контроллер, соединенный с радиомодулями, исполнительной электропневмати-ческой частью и датчиками давления.

Система работает следующим образом. После прицепки локомотива к составу производится его инициализация. По данным натурного листа состава, передаваемым на локомотив по радиоканалу (на первом этапе возможно на носимом магнитном носителе), формируется сеть передачи данных. Каждый узел сети (вагонный комплект оборудования) имеет свой уникальный адрес, присваиваемый на этапе инициализации, и содержит инвентарный номер вагона и порядковый номер вагона от головы к хвосту поезда.

Локомотивный и вагонные комплекты образуют конвейерную радиолинию. Все радиомодули используют один частотный ресурс. Введение в сообщения номеров поезда и локомотива позволяет исключить влияние грузовых поездов, оборудованных БЭПТ, друг на друга.

Управление тормозами происходит следующим образом. При выполнении торможения поезда на локомотиве приводят в действие кран машиниста путем перевода ручки крана в тормозное положение. При этом происходит механическое замыкание контактов микропереключателей, расположенных в контроллере (крана машиниста № 395-4), или возникает электрический сигнал от контроллера ККМ-ЦГМ или КМДУ № 130. Этот сигнал поступает в электронный управляющий контроллер, где формируется команда телеуправления на торможение, передаваемая посредством радиомодуля. Аналогично образуется команда на отпуск тормозов при переводе ручки крана машиниста в отпускное положение.

На каждом вагоне при приеме радиомодулем команды торможения эта команда преобразуется электронным управляющим контроллером в воздействие на исполнительную электропневматическую часть, которая воздействует на тормозную магистраль, сообщая ее с атмосферой. Таким образом выполняется разрядка тормозной магистрали на величину, заданную в полученной команде, и происходит срабатывание пневматических воздухораспределителей на торможение, тормозные цилиндры наполняются сжатым воздухом из запасных резервуаров — идет штатный процесс торможения.

При отпуске тормозов соответствующая команда, формируемая краном машиниста с контроллером и электронным управляющим контроллером, передается радиомодулями. При приеме радиомодулями на каждом вагоне команды на отпуск эта команда электронным управляющим контроллером преобразуется в воздействие на электромагнитный вентиль отпуска в составе исполнительной электропневматической части. Электромагнитный вентиль отпуска сообщает дополнительный резервуар, в котором сжатый воздух имеет предтормозное давление, с тормозной магистралью. Давление в тормозной магистрали повышается, пневматические воздухораспределители срабатывают на отпуск, сообщая тормозные цилиндры с атмосферой, — происходит штатный режим отпуска.

При поездном положении крана выполняется зарядка дополнительного резервуара через обратный клапан до давления, соответствующего установленному на кране машиниста поездному (нормальному зарядному) давлению.

Команды сигнализации на каждом вагоне формируются электронным управляющим контроллером от датчиков давления в определенные моменты процессов торможения и отпуска и передаются через радиомодули. Локомотивные радиомодули принимают команды сигнализации и передают их в электронный управляющий контроллер, который после обработки отображает на индикационном табло выполнение команд управления тормозами. На рис. б представлены результаты опробования тормозов на одном из дисплеев локомотива.

По сравнению с традиционными пневматическими тормозами использование в грузовых поездах электропневматических тормозов позволяет (на основе данных зарубежной эксплуатации проводной системы) реализовать ряд преимуществ:

> сокращение на 15 — 70 % длины тормозных путей;

> снижение до двух раз продольных сил в составе поезда при торможениях;
> уменьшение на 26 % мощности, рассеиваемой тормозными колодками, и соответствующее увеличение срока их службы;

> снижение повреждаемости колес при торможениях;

> сокращение на 5 — 8% расхода топлива (электроэнергии);

> повышение средней скорости движения;

> сокращение времени оборота маршрутных поездов на 5 — 9 %;

> снижение «вредного» воздействия на путь при торможениях;

> снятие ограничений на длину грузового поезда по управляемости тормозов при тяге с головы;

> увеличение расстояния между местами технического обслуживания и пробы тормозов в три-пять раз;

> действительная автоматизация процессов полного и сокращенного опробования тормозов с исключением человеческого фактора в процессе опробования.


В принципе, передача сигналов управления в ЭПТ может осуществляться как по проводам, так и по беспроводной сети. В табл. 2 представлено сравнение различных параметров проводного и беспроводного ЭПТ.

Вывод однозначен. Кроме того, анализ отказов ЭПТ в пассажирских поездах в пути следования показал, что при использовании штатных рукавов с электроконтактами и, учитывая экспоненциальный характер возрастания числа отказов в связи с их увеличением, в грузовом поезде установленной длины в 71 вагон с проводным ЭПТ можно ожидать более 50 % отказов.

В настоящее время специалисты ПО «Октябрь» (г. Каменск-Уральский) сконструировали и подготовили к серийному выпуску радиомодем с необходимыми характеристиками (рис. 7).

Также следует отметить тот факт, что часто, к сожалению, побудительным мотивом к появлению новых технических средств являются чрезвычайные ситуации. Например, толчком к введению автотормозов в грузовом движении в России послужило крушение воинского эшелона 1 мая 1897 г. во время сильнейшей грозы, когда совершенно не было слышно соответствующих гудков с паровоза, и в котором погибло и было ранено военнослужащих больше, чем в бою.

Наличие ЭПТ в грузовых поездах позволило бы избежать массовой трагической гибели людей и тяжелых экологических последствий, как, например, на ст. Каменская или на перегоне Ерал — Симская.

Контроль состояния подвижного состава только в определенных местах (устройствами КТСМ, УКСПС и т.д.) также может иногда приводить к крушениям и тяжелым авариям (на перегоне Утулик — Слюдянка). Некоторые дефекты могут развиваться очень быстро, и проконтролировать их возникновение и динамику развития можно только на вагоне (например, разрушение подшипника буксы).

Как уже говорилось, большинство дефектов колес носит «тормозной» характер. В свою очередь, 55 % дефектов тележек имеет «колесный» характер (УрГУПС; Ю.В. Зыков, Е.И. Сигилева). Обычно к этому приводит несвоевременность выявления ползунов, которые затем переходят в неравномерный прокат и начинают оказывать сильное отрицательное влияние на конструкцию тележки (боковые рамы).

В настоящее время специалисты обладают разработкой, которая позволит во многом выправить ситуацию. Электропневматические тормоза свойственны железнодорожному транспорту. Никакие устройства, временно устанавливаемые на хвосте или по составу поезда, не обеспечат тех функций, которыми изначально обладают ЭПТ. При наличии ЭПТ действительно достигается автоматизация процесса объективного опробования тормозов с документальной регистрацией и исключением человеческого фактора при опробовании.

На сегодняшний день имеются разработанные технические решения, проверенные в эксплуатационных условиях. Доказаны реализуемость беспроводного ЭПТ и его высокая жизнеспособность с параметрами, намного превосходящими действующие показатели. Применение БЭПТ наряду с внутрипоездной информационно-диагностической системой с прогнозирующим мониторингом позволяет перейти на новую технологическую платформу, избавиться от непроизводительного труда.


Сотрудниками кафедры «Экономика транспорта» УрГУПС (С.В. Рачек, О.В. Селина) подсчитана эффективность внедрения системы «Беспроводной электропневматический тормоз» для грузовых поездов. Расчеты выполнены для замкнутых маршрутов и для основной части парка грузовых вагонов (800 тыс.). Выяснено, что даже без учета всех преимуществ БЭПТ срок окупаемости составляет не более двух лет.

Для реализации проекта БЭПТ в Екатеринбурге было создано научно-производственное объединение «РаТорм». Этой

организацией выполнен большой комплекс работ, закончившихся изготовлением опытных образов блока вагонного управляющего (БВУ) и устройства локомотивного управляющего (УДУ). Однако отсутствие собственного подвижного состава и необходимость дальнейшего значительного вложения средств в изготовление поездокомплекта БЭПТ не позволяют довести начатую работу до логического конца.

Наши предложения довести систему беспроводного ЭПТ до серийного производства и внедрения на сети железных дорог РФ, СНГ и других стран поддержки не находят. И что? Опять будем ждать, когда за рубежом нас догонят, потом будем покупать их разработки и восхищаться ими? По мнению зарубежных специалистов, и мы полностью с ними согласны, внедрение электропневматического типа тормозов совместно с поездной информационно-диагностической системой в грузовых поездах по масштабам равнозначно такому этапу научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте, как замена паровой тяги на электрическую и тепловозную.