Результаты эксплуатации электровозов ЗЭС5К с поосным регулированием силы тяги на Восточном полигоне
И.Ю. МАРТЫНЮК, С.А. СТАРОВОЙТОВ, ведущие инженеры отдела новых локомотивов и эксплуатационных испытаний,
Д.И. БОДРИКОВ, начальник отдела электрических машин, Проектно-конструкторское бюро локомотивного хозяйства — филиал ОАО «РЖД»
Стабильный рост мировой экономики значительно стимулирует развитие сухопутного транспортного сообщения между ЮгоВосточной Азией и Европой, а Транссибирская магистраль становится важнейшим связующим звеном вышеуказанных регионов. От холдинга ОАО «РЖД», в свою очередь, это требует активных действий по повышению эффективности железнодорожных грузоперевозок, что в настоящее время невозможно без повышения технического уровня действующего парка тягового электроподвижного состава и его своевременного обновления.
Одной из приоритетных задач ОАО «РЖД», предусмотренных «Стратегией развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года» и «Транспортной стратегией РФ на период до 2030 года», является увеличение объема грузовых перевозок, непосредственно связанного с пропускной способностью сети железных дорог РФ. Одним из способов повышения пропускной способности становится развитие тяжеловесного движения — регулярная эксплуатация грузовых поездов с весовой нормой 7100 т на Восточном полигоне. Создание нового исполнения электровоза серии «Ермак» производства ООО «Производственная компания "Новочеркасский электровозостроительный завод"» (ООО «ПК"НЭВЗ"») стало новым техническим решением отечественной локомотивостроительной отрасли для реализации стратегических задач.
Дирекцией тяги — филиалом ОАО «РЖД» и ООО «ПК "НЭВЗ"» в 2017 г. было разработано «Техническое решение о совершенствовании конструкции серийно выпускаемых электровозов». По результатам реализации данного решения был построен опытный электровоз ЗЭС5К-434 с системой поосного регулирования силы тяги (ПРТ), независимым возбуждением тяговых электродвигателей (НВ ТЭД) с классом нагревостойкости изоляции «Н» и повышенной нагрузкой на ось 25 тс. Впоследствии именно эти технические решения лягут в основу конструкции серийно выпускаемых ныне «Ермаков».
Система НВ ТЭД в совокупности с ПРТ позволяет снизить эффект боксования, юза и в более широком диапазоне использовать максимально возможную силу тяги. Благодаря изменению конструкции выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) с индивидуальным питанием тяговых двигателей в сочетании с усовершенствованной микропроцессорной системой МСУД-015 с расширенными функциями диагностики оборудования появилась возможность адаптивного управления тягой локомотива.
Техническим заключением по результатам опытных поездок и результатами ранее проведенных тягово-энергетических и эксплуатационных испытаний электровозов ЗЭС5К с ПРТ и НВ ТЭД подтверждена возможность вождения грузовых поездов массой 7100 т на участках Восточного полигона. Начиная с декабря 2018 г., стартовал серийный выпуск электровозов ЗЭС5К с системой ПРТ и НВ ТЭД. Ввод в эксплуатацию электровозов ЗЭС5К «Ермак» с ПРТ и НВТЭД на участке от станции Мариинск Красноярской дороги до станции Хабаровск Дальневосточной дороги позволил достигнуть ряд значительных успехов в организации эксплуатационной работы на Восточном полигоне.
Так, организация эксплуатации локомотивов ЗЭС5К с ПРТ, оборудованных моторно-осевыми подшипниками качения, позволила:
- увеличить критическую массу грузовых поездов на всем полигоне с 6300 до 7100 т;
- организовать их вождение локомотивом в 3-секционном исполнении вместо 4-секционного;
- увеличить длину участков обслуживания электровозов, сократив при этом потребное количество локомотивных бригад и станций смены локомотивов.
Данные электровозы оказали положительное влияние на выполнение качественных показателей использования тягового подвижного состава (ТПС), сокращение эксплуатационных расходов, снижение сроков доставки грузов, что позитивно отразилось и на имидже Компании.
Для подтверждения и верификации вышеизложенных эффектов в части показателей использования ТПС специалистами Проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства (ПКБ ЦТ) осуществляется непрерывный мониторинг технического состояния парка электровозов ЗЭС5К с ПРТ и НВ ТЭД. Исходными для расчета и анализа показателей использования являются данные информационной системы ОАО «РЖД» ИХ «Локомотивные парки» (форма ЦО-2). Для оценки эффективности внедрения ПРТ и ИВ ТЭД показатели рассчитываются также для локомотивов серии ЗЭС5К более ранних исполнений (потележечное и посекционное регулирование силы тяги).
На рис. 1 —4 представлены результаты сравнения показателей использования электровозов на Восточном полигоне. Средний вес поезда эксплуатируемого парка локомотивов ЗЭС5К с ПРТ составляет 4535 т, что на 24 % больше, чем у электровозов ЗЭС5К с по-тележечным и посекционным регулированием силы тяги.
Значение среднесуточной производительности эксплуатируемого парка электровозов ЗЭС5К с ПРТ составляет 293 на 10 тыс. т-км брутто, что на 29 % больше чем производительность остального парка ЗЭС5К на Восточном полигоне.
Фактический удельный расход электроэнергии электровозов ЗЭС5К с ПРТ составляет 98,9 кВт ч на т-км брутто, что на 5 % меньше, чем у электровозов ЗЭС5К с потележечным и посекционным регулированием силы тяги.
Значение технической скорости эксплуатируемого парка электровозов ЗЭС5К с ПРТ составляет 43,9 км/ч, что на 1 % меньше чем скорость остального парка ЗЭС5К на Восточном полигоне.
Сравнительная оценка качественных показателей использования локомотивов за весь период эксплуатации электровозов ЗЭС5К с ПРТ и ЗЭС5К с различным принципом регулировании силы тяги на Восточном полигоне подтверждает эффективность применения технических решений ПРТ и НВ ТЭД при организации грузоперевозок в условиях данного полигона.
Учитывая особенности характеристик электровозов с поосным регулированием силы тяги и независимым возбуждением тяговых электродвигателей, позволяющие увеличить массу грузовых поездов, эксплуатация этих локомотивов организована не только на Восточном полигоне. В настоящее время электровозы 2ЭС5К приписки эксплуатационного локомотивного депо Лянгасово эксплуатируются вместо ВЛ80 на полигонах Горьковской, Северной и Октябрьской дорог от станции Балезино до станции Бабаево с поездами массой до 7100 т вместо 6500 т.
На Южно-Уральской и Куйбышевской дорогах от Магнитогорска до Инзера эксплуатируются 4ЭС5К с грузовыми поездами массой 5600 т вместо 2ВЛ80 с массой поезда 4100 т. На участке от станции Карталы до станции Магнитогорск использование 4ЭС5К позволило увеличить массу поезда до 8300 т вместо 8000 т для 2ВЛ80.
ПКБ ЦТ непрерывно с начала серийного выпуска электровозов ЗЭС5К с ПРТ производит расчет показателей. Динамика надежности электровозов ЗЭС5К с ПРТ на Восточном полигоне имеет положительную тенденцию. По результатам эксплуатации за 2020 г. количество неплановых ремонтов снижено на 28 %, отказы 2-го вида (задержка на линии более 1 ч) — на 38 %. Коэффициент внутренней готовности по отношению к 2019 г увеличился на 4 %, а коэффициент технической готовности — на 3 %.
По состоянию на 1.07.2021 г. 29 % отказов всего оборудования электровозов ЗЭС5К с ПРТ приходится на тяговый электродвигатель. Основной причиной отказов ТЭД является термическое повреждение обмотки якоря с последующей потерей изоляционных свойств и возникновением межвиткового короткого замыкания.
Для исключения этой проблемы реализованы мероприятия, включающие в себя комплексный подход:
- проведен внеплановый технический аудит производственной площадки завода-изготовителя тяговых электродвигателей, по результатам которого выявлены несоответствия технологической документации с последующей разработкой корректирующих мероприятий;
- организовано техническое обучение работников эксплуатационных и сервисных локомотивных депо по эксплуатации электровозов с ПРТ, работе электрической схемы, технологии выполнения технического обслуживания и ремонта ТЭД;
- после проведения обмера бандажей выполняется корректировка данных о параметрах колесных пар в МСУД локомотива, что обеспечивает равномерность распределения токов в параллельно работающих тяговых электродвигателях и снижает возможность возникновения кругового огня на коллекторе.
Вторым оборудованием, лимитирующим надежность всей серии, является выпрямительно-инверторный преобразователь — 11 % отказов.
По результатам анализа эксплуатации электровозов ЗЭС5К с ПРТ в период 2019 — 2020 гг. было зафиксировано, что основной причиной отказов тиристоров является неравномерное динамическое распределение напряжения в плече преобразователя в момент запирания тиристоров, вызванное высокой скоростью спада анодного тока, обусловленной низкой индуктивностью контура коммутации.
Для предотвращения возникновения вышеуказанных условий, приводящих к пробоям силовых полупроводниковых приборов, заводом-изготовителем реализованы следующие мероприятия:
& при проведении приемосдаточных испытаний преобразователя производится проверка динамического распределения напряжения на тиристорах в момент восстановления их запирающих свойств путем одновременного контроля напряжения на последовательно соединенных тиристорах плеча;
(г формирование гарантийного переходного запаса плеч тиристоров в сервисных локомотивных депо Восточного полигона, скомплектованных с учетом динамического распределения напряжения;
& обучение представителей сервисных служб особенностям осуществления ремонта преобразователя при выходе из строя тиристора (замена комплекта всего плеча, укомплектованного с учетом динамического распределения напряжения на тиристорах).
Решение вышеуказанных проблем с тяговыми двигателями и преобразователями позволит обеспечить устойчивую эксплуатацию электровозов и положительно отразится на реализации эффективного грузового движения на всем Восточном полигоне.
Подводя итоги рассмотрения результатов эксплуатации, следует отметить, что применение прогрессивных конструкторских решений и алгоритмов управления электровозом, в том числе ПРТ и НВ ТЭД, дает возможность избежать эффекта разносного боксова-ния благодаря реализации жесткой тяговой характеристики, которая в значительной мере способствует прекращению боксования. Это оказывает положительное влияние на безопасность и выполнение графика движения грузовых поездов.
Однако вышеуказанные преимущества невозможно реализовать в отрыве от совершенствования работы алгоритмов системы микропроцессорного управления движением локомотива.
Локомотивы с ПРТ и их тяговое оборудование работают в более нагруженном режиме, чем на электровозах других серий, что требует более внимательного отношения к ним.
Для обеспечения необходимого уровня надежности и работоспособности, а также устойчивого уровня эффективности электровозов с поосным регулированием силы тяги необходимо непрерывно выполнять комплекс следующих мероприятий:
- - при изменении версии программного обеспечения МСУД своевременно доводить до сведения локомотивных бригад соответствующие отклонения в принципах и алгоритмах управления электровозом для исключения возможности неправильной эксплуатации тягового подвижного состава, которая может привести к неисправностям (перегреву) тягового оборудования;
- - формирование режимных карт участков эксплуатации на Восточном полигоне с учетом особенностей конструкции и соответствующих режимов питания ТЭД, что позволит оптимизировать выбор режима и применять рациональные элементы управления движением большегрузных поездов;
- - после проведения обмера бандажей производить корректировку данных о колесных парах в МСУД локомотива;
- - неукоснительно соблюдать утвержденные технологии при
- изготовлении, обслуживании, ремонте и эксплуатации флагмана тягового подвижного состава, реализующего перевозочный процесс на Восточном полигоне.
