Admin

Электровоз 2ЭВ120: итоги испытаний

Д-р техн, наук С.В. ПОКРОВСКИЙ, технический директор ООО «Первая Локомотивная Компания»

В октябре 2017 г. был успешно завершен комплекс приемочных и сертификационных испытаний опытных грузовых электровозов двойного питания 2ЭВ120 № 001 и 002 «Князь Владимир». Новому локомотиву выдан сертификат соответствия требованиям технического регламента ТР ТС 001/2011 «О безопасности железнодорожного подвижного состава».

2016 г. по сентябрь 2017 г. — и проходили, в основном, на Экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ». Испытания по воздействию на путь проводили на скоростном испытательном полигоне Белореченская — Майкоп Северо-Кавказской дороги, ходовые прочностные — также на этой дороге. Дополнительно к традиционной программе приемочных и сертификационных испытаний в ноябре 2016 г. на участке Челябинск — Карталы — Магнитогорск оценивали тяговые характеристики электровоза в условиях эксплуатации.


Основные испытания выполняли научные сотрудники АО «ВНИИЖТ», а связанные с эргономикой локомотива — работники ФГУП «ВНИИЖГ» Роспотребнадзора. Отдельные испытания по охране труда осуществляли специалисты ООО «НТЦ„Привод-Н"».

Одновременно с испытаниями двух опытных электровозов 2ЭВ120 подготавливали и проводили экспертизу технической документации комплектующих, которые подлежат обязательной сертификации или декларации на соответствие требованиям технического регламента ТР ТС 001/2011. В целом эти работы коснулись более 100 видов изделий — от сложных до самых простых.

Первыми, согласно графику, проводили тормозные испытания.

Здесь разработчиков электровоза ожидал неприятный сюрприз с несоответствием по нормативу тормозного пути экстренного торможения. На 2ЭВ120 изначально были применены чугунные безгреб-невые колодки, используемые на электровозах серии ЧС. Результаты

первых испытаний показали, что фрикционный коэффициент примененных колодок не соответствует формуле, приведенной в Правилах тяговых расчетов для стандартных чугунных колодок с относительно низким содержанием фосфора. Это несоответствие привело к ошибке в проектных расчетах тормозной системы.

Стала очевидной необходимость повышения фрикционного коэффициента тормозных колодок путем повышения содержания фосфора. Новая тормозная колодка была разработана научными сотрудниками АО «ВНИИЖТ». Опытную партию колодок изготовил Ярославский ЭРЗ. Новые колодки дали положительный результат по тормозному пути и были сертифицированы.

В остальном испытания тормозной и пневматической систем электровоза прошли успешно. По рекомендации научных сотрудников АО «ВНИИЖТ» были скорректированы некоторые настройки системы, в частности:

- скорость, при которой отключается автоматическая подача песка при экстренном торможении, была повышена с 10 до 15 км/ч с учетом специфики системы подачи песка и его остаточного высыпания;

- уточнен в соответствии с новыми нормативами уровень давления в тормозной магистрали, ниже которого должна быть заблокирована возможность включения тяги.

Традиционно ключевым предметом детальной проверки при испытаниях нового локомотива являются тяговые и тормозные характеристики. Заложенные в техническое задание характеристики, представленные на рис. 1 и 2, были подтверждены испытаниями в полном объеме. По рекомендации специалистов Проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства ОАО «РЖД» в систему управления в ходе испытаний также была введена возможность задавать виртуальными кнопками на дисплее ограничение по току, потребляемому электровозом из контактной сети, т.е. автоматически ограничивать мощность электровоза, если система тягового электроснабжения не может обеспечить полную тяговую мощность 9600 кВт.


Несколько слов необходимо сказать о бустерном режиме тяги. Этот режим работы электровоза 2ЭВ120 активируется и отключается нажатием специальной кнопки на пульте машиниста. При этом, как видно из тяговой характеристики на рис. 1, сила тяги электровоза при трогании и в области скоростей от 0 до 25 км/ч повышается с 700 до 760 кН.

Важно отметить, что бустерный режим работы заложен в систему не для каждодневного произвольного использования, а для компенсации потери силы тяги электровоза при выводе из работы одного тягового двигателя при соответствующих видах неисправностей. То есть благодаря этому режиму снижается вероятность того, что неисправность приведет к остановке на руководящем подъеме, станет невозможным тронуть состав с места и потребуется резервный локомотив.

Частое использование бустерного режима без реальной необходимости может привести к снижению ресурса силовых полупроводниковых приборов (IGBT-транзисторов) тяговых преобразователей. Этот риск связан с тем, что наиболее критичными для ресурса IGBT-транзисторов являются значительные циклические колебания температуры полупроводниковых кристаллов, а если точнее — паек эмиттерных электродов к кристаллам при предельной токовой нагрузке и низкой частоте тока тягового двигателя.

Постоянная времени нагревания кристалла силового IGBT-транзистора на охладителе с интенсивным принудительным жидкостным охлаждением составляет примерно 1 с. Поэтому наиболее значительные колебания температуры кристаллов характерны для низких скоростей. Здесь частота тока статора составляет 1 — 5 Гц, что соответствует скорости электровоза от 0 до 7 км/ч. С учетом этой технической особенности рациональное использование предельных тяговых усилий электровоза при трогании является существенным фактором, влияющим на надежность и долговечность силовых полупроводниковых приборов.

Одним из важнейших показателей для грузового электровоза являются сцепные свойства. Асинхронный тяговый электропривод теоретически считается в этой области максимально эффективным. Однако практика показала, что высоких результатов в повышении сцепных свойств достичь непросто. Естественные жесткие характеристики асинхронного двигателя в тяговых электроприводах не используются. И для достижения высоких сцепных свойств необходимы хорошо отработанные алгоритмы поосного динамического регулирования вращающего момента тягового двигателя на основе слежения за скоростью проскальзывания каждой колесной пары локомотива.

На электровозе 2ЭВ120 реализованы поосное регулирование тяги и специальные алгоритмы управления, чтобы повысить его сцепные свойства. В ходе испытаний на Экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ» проверили принципиальную работоспособность системы в реализации этой функции. Более представительно дали оценку сцепным свойствам электровоза 2ЭВ120 в ходе тягово-эксплуатационных испытаний на Южном Урале. Результаты в целом подтвердили с некоторым запасом заявленное ограничение по сцеплению (графически это показано на рис. 1) по формуле: = 0,31 + 4,5/(50 + 6-V) - 0,0006-V, где V — скорость электровоза, км/ч. Чтобы накопить в этой области представительные данные в более разнообразных условиях, в настоящее время ведется наблюдение за сцепными свойствами электровоза и расходом песка в ходе подконтрольной эксплуатации.
Важнейшая составная часть оценки тяговых характеристик локомотива — проверка тепловых режимов электрического оборудования и эффективности его вентиляции. Испытания показали, что на электровозе 2ЭВ120 в этом плане обеспечивается высокий уровень конструктивной системной координации. То есть, нет явно недогруженного или перегруженного в тепловом отношении оборудования.

Тепловые испытания проводили на переменном и постоянном токе в продолжительном режиме работы (скорость 52,8 км/ч; сила тяги 600 кН) при температуре наружного воздуха +20... 23 °C. Результаты измерений превышения температуры основного оборудования над температурой охлаждающего воздуха представлены в табл. 1 для работы электровоза с напряжениями на токоприемнике, близкими к номинальным.

Нормативные значения в таблице приведены также с учетом абсолютной температуры нагрева элементов при температуре окружающего воздуха +40 °C — наибольшей эффективной рабочей температуре, согласно техническому заданию. Как видно из таблицы, по всем позициям в продолжительном режиме работы электровоза имеются некоторые резервы по нагреванию оборудования. Резервы были заложены в проект специально для повышения надежности работы оборудования электровоза и повышения его энергетической эффективности. Следует отметить, что для этого же продолжительный режим был заложен немного выше расчетного ограничения по сцеплению, что видно на рис. 1.

Традиционные грузовые электровозы российских железных дорог имеют силу тяги продолжительного режима, которая обычно ниже ограничения по сцеплению на 20 — 25 %. Это означает, что на руководящем подъеме с полновесным составом электровоз работает с существенной перегрузкой, и только ограниченное время работы в таком режиме позволяет избегать сверхнормативного перегрева оборудования.

Регулирование вентиляции тяговых двигателей создает в приведенном случае дополнительный риск тепловых перегрузок и требует тщательных проверок для каждого конкретного условия. Продолжительный режим работы электровоза на уровне расчетного ограничения по сцеплению дает электровозу 2ЭВ120 весомый потенциал повышения его тяговой и энергетической эффективности без риска перегрева оборудования.

Аналогичная логика формирования конструктивных запасов была заложена и в проектирование ходовой части электровоза 2ЭВ120 в части прочностных свойств основного тягового оборудования: тяговых двигателей, редукторов, колесных пар, элементов буксовых узлов и наклонных тяг.

Входе испытаний была дана оценка показателям энергетической эффективности электровоза 2ЭВ120. Коэффициент полезного действия электровоза в продолжительном режиме по результатам испытаний составил на переменном токе — 0,876 и на постоянном — 0,883. Это несколько выше показателей, которые были заложены в техническом задании.

Как показывает практика, отдельные «точечные» величины коэффициента полезного действия электровоза 2ЭВ120 не отражают все его эксплуатационные особенности и режимы работы. Более подробный анализ энергетической эффективности электровоза провели в ходе тяговых испытаний с грузовыми поездами на Южно-Уральской дороге.

В общей сложности выполнили по десять опытных поездок на постоянном токе (участок Челябинск — Карталы) и на переменном (участок Карталы — Магнитогорск) с грузовыми составами массой от 5 до 7 тыс. т. В ходе испытаний скорость поезда с электровозом 2ЭВ120 в среднем была выше, чем с трехсекционными электровозами ВЛ10 и ВЛ80С. В частности, в конце руководящего подъема скорость была примерно на 10 км/ч выше, а суммарное время хода — заметно меньше. Из-за этого, если обобщать все поездки, удельный расход электроэнергии у 2ЭВ120 оказался на 3 — 5 % выше норм, установленных для трехсекционных сцепов электровозов ВЛ10 и ВЛ80С. Согласно расчетам, при эквивалентных «скоростных» условиях движения у электровоза 2ЭВ120 энергетическая эффективность получается несколько лучше, чем у ВЛ10 и ВЛ80С.

Приведенный результат, в том числе, связан не только с величиной КПД электровоза в разных режимах, но и с тем, что двухсекционный 2ЭВ120 имеет массу на 80 — 90 т меньше, чем трехсекционные ВЛ ЮК и ВЛ80С. Аэто составляет примерно 1,5 % от массы состава, на движение которых также расходуется электроэнергия.

Как известно, расход электроэнергии на тягу поезда существенно зависит от «манеры» управления электровозом. Исходя из этого, опытные поездки на Южном Урале осуществляли двумя вариантами регулирования силы тяги, которые предусмотрены системой управления:

- 1-й — в режиме автоматического поддержания заданной скорости, когда машинист задает нужную скорость дополнительной рукояткой контроллера, а силу тяги система управления регулирует автоматически для поддержания установленной скорости;

- 2-й — в режиме ручного задания силы тяги главной рукояткой контроллера (задание по скорости при этом устанавливали на максимум, чтобы «не мешало»).

Технически второй режим управления тягой более близок к традиционному управлению электровозами. Он дает возможность более гибко использовать кинетическую энергию грузового состава и больше двигаться на выбеге. По результатам опытных поездок было установлено, что при втором режиме управления тягой удельный расход электроэнергии заметно ниже, чем при первом.

Для участка Челябинск — Карталы, который имеет смешанный профиль пути и долю равнинной части около 40 % (с перемежающимися подъемами и спусками малой крутизны), удельный расход электроэнергии при втором режиме управления тягой оказался на 14 % ниже. Для участка Карталы — Магнитогорск с характерным чисто горным профилем удельный расход электроэнергии при втором режиме управления тягой оказался только на 1 % ниже.

Последнее объясняется тем, что на горном участке влияние «манеры» управления тягой сказывается в минимальной степени, так как локомотиву приходится почти все время либо тянуть со значительной силой тяги, либо тормозить. А возможность для использования выбега практически отсутствует.

В целом проведенные испытания показали, что при эквивалентном использовании тяговой мощности электровоз 2ЭВ120 по расходу электроэнергии имеет преимущество по сравнению с электровозами ВЛ ЮК и ВЛ80С.

Дальнейшая оценка энергетической эффективности электровоза 2ЭВ120 в разных режимах эксплуатации проводится в настоящее время в ходе опытной подконтрольной эксплуатации. Вопрос целесообразности вождения грузовых поездов с более высокой скоростью на руководящем подъеме, что позволяют тяговые характеристики электровоза 2ЭВ120, требует комплексной технико-экономической оценки.
Проверку прочности несущих конструкций электровоза 2ЭВ120 традиционно проводили в три этапа: стендовые испытания рамы тележки с расчетным динамическим нагружением 10 млн. циклов; испытания кузова на соударение с измерениями напряжений в раме кузова, ходовые динамико-прочностные испытания с измерениями напряжений в раме тележки и на основных кронштейнах.

Стендовые испытания рамы тележки показали отсутствие усталостных трещин после 10 млн. циклов нагружения. Ходовые прочностные испытания подтвердили соответствие элементов ходовой части требованиям по коэффициенту запаса усталостной прочности не менее 2,0. Испытания кузова на соударение с нормативным усилием в 2500 кН показали, что кузов имеет примерно 2,5-кратный запас прочности до достижения предельно допустимых напряжений. Такие результаты были получены, в том числе, благодаря использованию в несущих конструкциях рам тележек и кузова российской стали 15ХСНД2 мостового качества.

Испытания по ходовой динамике и воздействию на путь проводили на скоростях до 132 км/ч, как установлено действующими нормативами. Результаты испытаний по основным показателям ходовой динамики и воздействию на путь представлены в табл. 2. Как видно из таблицы, по основным показателям динамики хода и воздействия на путь электровоз имеет значительные запасы до предельно допустимых значений.

По результатам испытаний электровозу 2ЭВ120 установлены следующие допускаемые скорости движения на рельсах типа Р50 с числом шпал на 1 км 1840 — 2000, на щебеночном или асбестовом балласте:

- в прямых и кривых радиусом 700 м и более — 120 км/ч;

- в кривых радиусом 600 м — 115 км/ч;

- в кривых радиусом 300 м — 80 км/ч.

- по боковому направлению стрелочных переводов марки 1/11 и 1/9 — 40 км/ч.

Для кривых радиусом 600 м и менее допускаемая скорость ограничена по непогашенному ускорению 0,7 м/с2.

Дополнительный анализ результатов испытаний, выполненный научными сотрудниками АО «ВНИИЖТ», показал, что по динамике хода, воздействию на путь и прочности допустимая скорость электровоза 2ЭВ120 в прямых и кривых радиусом 1000 м и более может быть повышена до 140 км/ч без конструктивных доработок ходовой части.

Значительный объем испытаний был посвящен электромагнитной совместимости. В этой области действуют четыре группы нормативных сертификационных показателей:

❖ уровень генерируемых электровозом радиопомех в различных диапазонах частот радиоэфира;

❖ уровень мешающего влияния гармоник сетевого тока электровоза на кабельные линии железнодорожной связи;

❖ уровень мешающего влияния гармоник сетевого тока электровоза на рельсовые цепи автоблокировки и локомотивной сигнализации;

❖ уровень мешающего влияния электромагнитных помех от тягового двигателя и силовых цепей на приемные катушки локомотивной сигнализации и их вторичные цепи.

Физическая особенность электромагнитной совместимости состоит в том, что делать проектные расчеты в этой сфере очень сложно, а по ряду показателей практически невозможно. Поэтому в этой области с первого «захода» обеспечить соответствие нормативам электровоза по всему комплексу показателей, как правило, не получается. И по ходу испытаний предпринимаются дополнительные меры, чтобы обеспечить соответствие.

На электровозе 2ЭВ120 для обеспечения полного соответствия нормативам по электромагнитной совместимости пришлось несколько оптимизировать фильтровые параметры тяговых преобразователей, а также алгоритмы управления ими. При этом учли то, что исследуемый электровоз двухсистемный, и все реализуемые модификации необходимо проверять как на постоянном, так и на переменном токе.

Максимально возможный объем экспериментальной информации по электромагнитной совместимости необходим не только для подтверждения соответствия формальным нормативам, но и для полного понимания как силовые цепи электровоза взаимодействуют с системами электроснабжения различных конфигураций. Для этого по результатам испытаний делали дополнительные многовариантные расчеты, чтобы убедиться в отсутствии рисков недопустимого влияния электровоза на системы связи, автоблокировки и локомотивной сигнализации.

Электромагнитное влияние ближайшего тягового двигателя на приемные катушки локомотивной сигнализации — хорошо известная проблема подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями. В этом плане по уровню «тяговых» помех на входную цепь системы АЛС электровоз 2ЭВ120 оказался на хорошем изначальном уровне. Но в ходе специальных статистических испытаний с настройкой рельсовых цепей АЛС на частоте 25 Гц по нижнему пределу рабочего сигнала в среднем 1 из 20 проездов контрольного участка давал сбой кода на локомотивном светофоре.

Чтобы исключить отмеченные сбои в принципе, в систему управления был заложен алгоритм ограничения нагрузки первого по ходу тягового двигателя в диапазоне частот тока его статора от 20 до 30 Гц на уровне 75 % с перераспределением «недостающей» тяги на другие семь электродвигателей. Опытная эксплуатация электровоза 2ЭВ120 на Южном Урале показала, что в плане электромагнитной совместимости на данном локомотиве в итоге достигнут надежный результат.

Создатели электровоза 2ЭВ120 выражают особую благодарность коллективу АО «ВНИИЖТ» и персонально ведущему научному сотруднику А.П. Петровичеву за высочайший профессионализм и принципиальность в вопросах исследования электромагнитной совместимости.

Традиционно большой объем нормативных сертификационных показателей для электровоза был посвящен вопросам охраны труда и эргономики. В этом плане проекты и электровоза в целом, и его кабины машиниста оказались весьма удачными. Но по ряду вопросов пришлось продумать и реализовать отдельные незначительные доработки, которые коснулись:
- улучшения распределения яркости подсветки пульта и манометров;

- устранения бликов в лобовых стеклах от верхнего освещения кабины;

- переноса звуковых сигналов (тифона и свистка) из-за путеочистителя ближе к проемам в его фронтальной части;

- нанесения хорошо видимой маркировки положений тормозного контроллера;

- нанесения шумопоглощающего материала на боковые стенки бака тягового трансформатора.

Все эти модернизации были продуманы и реализованы очень оперативно и фактически никак не повлияли на общие сроки испытаний. Отдельный объем испытаний, экспертизы документации и контрольных расчетов, выполненных научными сотрудниками АО «ВНИИЖТ», был посвящен вопросу функциональной и кибернетической безопасности электровоза и его системы управления. Безусловно, важность этой сферы нельзя недооценивать. Одни и те же функции управления локомотивом можно реализовать различными техническими и программными способами.

Практика решения задач в Западной Европе повышения надежности функций управления, связанных с безопасностью движения, охраны труда работников железнодорожного транспорта и защиты окружающей среды, показала, что реализация ряда ответственных функций управления тягой и торможением только средствами программируемых систем не обеспечивает необходимый уровень надежности. Для ее повышения необходимо программные алгоритмы управления совмещать с простыми и надежными агрегатными каналами управления.

Система управления электровоза 2ЭВ120 разработана с учетом зарубежного опыта и была по достоинству оценена сотрудниками АО «ВНИИЖТ». Но по отдельным функциям интерфейса «система управления — машинист» специалисты дали ценные замечания, на основании которых были реализованы необходимые модификации программного обеспечения. Испытания программного обеспечения системы управления электровоза 2ЭВ120 на информационную безопасность и отсутствие недекларированных возможностей выполнили непосредственно на борту локомотива и на отладочных стендах специалисты ЗАО «ИБТранс».


Входе испытаний опытные электровозы 2ЭВ120 № 001 и 002 продемонстрировали высокую надежность оборудования и комплектующих. В общей сложности зафиксированы три неисправности:

- вышел из строя и был заменен датчик температуры воздуха в кабине машиниста, управляющий работой климатической системы;

- при низкой температуре возникла незначительная протечка через резиновое уплотнительное кольцо в контуре охлаждения из тягового преобразователя (протечку устранили установкой нового кольца);

- был заменен один силовой модуль тягового преобразователя из-за нарушений в работе драйвера управления IGBT-транзистором.

Также в одну из поездок на Экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ» при работе одной секцией на постоянном токе в грозу рядом с электровозом в контактную сеть попала молния. Ограничитель перенапряжения 3,3 кВ был поврежден, но защитил от повреждений все остальное оборудование секции. Восстановительные работы выполнили оперативно, и это не повлияло на сроки проведения испытаний.

В общей сложности с момента постройки в период пусконаладочных работ и испытаний электровозы достигли следующих пробегов: 2ЭВ120-001 — 33 тыс. км; 2ЭВ120-002 — 18 тыс. км.

В целом прошедшие испытания можно считать весьма успешными и выполненными в довольно сжатые сроки для такого сложного объекта, как двухсекционный локомотив двойного питания. Одновременно с представлением результатов испытаний электровоза 2ЭВ120 межведомственной комиссии и получением сертификата соответствия его создатели оценили то, что реально получилось «в металле». А четкая оценка результатов — важнейший фактор дальнейшего развития проекта.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК