[11-2019] Знакомьтесь: тепловоз ТЭМ10 - головной локомотив нового семейства

[бабулер45]

Знакомьтесь: тепловоз ТЭМ10 - головной локомотив нового семейства

Конструкторы готовятся к новой массовой замене старых локомотивов

А.А. САЧКОВ, главный конструктор ООО «Центр инновационного развития СТМ»

Современные тенденции в машиностроении призывают к созданию модульных платформ, позволяя производить довольно широкую гамму выпускаемой продукции на унифицированном технологическом оборудовании и оснастке. Этот подход также позволяет добиться таких ключевых параметров для конечного потребителя, как сокращение времени поставки изделия, сконфигурированного персонально под заказчика, а также максимально снизить затраты на подготовку производства для каждой новой модификации, что позитивно влияет на цену изделия.
Именно такими соображениями и руководствовались инженеры ООО «Центр инновационного развития СТМ» (ЦИР СТМ — инжиниринговой компании, входящей в АО «СТМ», специализирующейся на разработке тепловозов и локомотивов на сжиженном природном газе).
Сама идея создания двухдизельного локомотива была реализована в 2014 г. на Людиновском тепловозостроительном заводе. На текущий момент успешно выпускается тяжелый двухдизельный маневровый тепловоз ТЭМ14, который в ходе специально проводимых сравнительных испытаний доказал свою топливную эффективность на 15 — 32 % по сравнению с людиновским же тепловозом ТЭМ7А в зависимости от режима эксплуатации.
С 2016 г. остро стал обсуждаться вопрос перспективного локомотива для нужд различных предприятий транспорта. В рамках Некоммерческого партнерства «Объединение производителей железнодорожной техники» (НП «ОПЖТ») сформировались следующие требования:
- снижение начальной цены приобретения локомотива;
- уменьшение расходов на жизненном цикле (как на топливоэнергетические ресурсы, так и на ремонты), в частности, возможность «холодного» отстоя и запуска, в том числе в зимнее время;
доступность сервисного обслуживания и запчастей, широкая унификация;
- высокая «живучесть» одной секции локомотива — возможность работы с номинальной силой тяги, пусть даже с меньшей максимальной скоростью, при отказе не менее половины основного оборудования;
- ремонт «на ходу», без изъятия локомотива из работы — в межсменное время.

Также в ходе маркетингового исследования рынка был сделан вывод, что по большинству параметров единого мнения нет и быть не может, что и привело инженеров к довольно очевидному решению: раз усреднённые параметры сделать нельзя — надо делать легкую конфигурируемость конструкции под требования заказчика.
Требуемый мощностной диапазон был определен в 800 — 900 кВт. Это та мощность, которая используется на большинстве маневровых локомотивов, таких как ТЭМ2, ТЭМ18, ТЭМ9, ТГМ6.
При проведении достаточно серьезной работы по моделированию цифрового двойника будущего продукта на ранних стадиях проектирования удалось оптимизировать параметры отбора мощности на вспомогательные нужды локомотива на б — 10 % и добиться коэффициента полезного использования мощности на тягу до 0,83. Это позволило при сохранении той же мощности на ободе колеса, что и, например, на тепловозе ТЭМ9, снизить мощность силовых установок. Основные характеристики нового локомотива приведены в таблице.
Дизели нового локомотива. Сам тип дизельного двигателя, используемый на локомотиве в качестве силовой установки, — это один из тех параметров, который необходимо было конфигурировать. Так, одни эксплуатанты хотят во что бы то ни стало получить полностью российский дизель, другим важна максимальная топливная экономичность, третьи делают акцент на снижение межремонтного обслуживания, четвертые непременно желают, чтобы на тепловозах, самосвалах и бульдозерах стояли дизели одного производителя. В связи с этим и было принято решение прорабатывать на первом этапе сразу три варианта силовой установки от Тутаевского моторного завода и зарубежных фирм Cummins и Volvo (рис. 1). На данный момент в это число вступают и другие отечественные производители — КАМАЗ и ЯМЗ.
Селективно-синхронная схема с диодно-токовым суммированием мощности в селективно-силовых узлах. Новая схема двухдизельного локомотива заслуживает отдельного рассмотрения. Работа двух генераторов (рис. 2) на общую нагрузку при асинхронном тяговом приводе с полностью управляемыми инверторами не представляет никакой сложности. Так, на каждом локомотиве, оснащенном асинхронными тяговыми двигателями, при работе их в режиме электродинамического или реостатного торможения они все (4, 6 или 8) работают на общую нагрузку, причем с регулируемой мощностью.
Однако при создании локомотива стояла задача сделать максимально простой и дешевый локомотив, а значит, асинхронный привод был исключен. Поэтому задачу на проектирование схемы можно было описать так: два синхронных генератора с внешним возбуждением и четыре коллекторных тяговых электродвигателя типа ЭД-133. Данный тип унифицированного тягового двигателя применяется практически на всех тепловозах в РФ, выпускается несколькими производителями и имеет обширную ремонтную базу.
Дополнительное условие — при переходе с работы на одном ДВС на работу двумя ДВС не должно быть «провала» тягового усилия. Такой эффект получается во время перегруппировки двигателей и негативно сказывается в эксплуатации — машинист набирает следующую позицию: двигатели вначале обесточиваются, т.е. тяга снижается до нуля, перегруппировываются, и потом восстанавливается работа на следующей позиции по мощности. В таком режиме может возникать достаточно неприятная ситуация, когда вагоны «догоняют» локомотив, выбирая зазоры в автосцепках — поезд сжимается, а потом при наборе тяги происходит рывок.
В результате патентного поиска и анализа нескольких вариантов была выбрана простая и эффективная схема электрической передачи с синхронизированным плавным вводом и выводом второго генератора с селективным управлением по обратным связям, представленная на рис. 3.

При переходе с 1 -й на 2-ю позицию регулирования мощность растет с 85 до 185 кВт, а напряжение с 262 до 294 В при частотах вращения вала дизеля 850 и 950 об/мин соответственно.
Если провести аналогию между электрической и механической передачами мощности, то старая схема является аналогом механической коробки передач с разрывом мощности при переключении, а новая — современного вариатора с плавным регулированием, с той разницей, что механический вариатор работает с трением и, соответственно, изнашивается, а в электронном (электрическом) аналоге — селективно-силовом узле, механически изнашиваемые части отсутствуют вовсе.
Новая схема не только позволила функционально разделить аппаратуру управления тяговыми двигателями 1-й и 2-й тележек, что уменьшило длину силовых цепей, но и снизить количество контакторной аппаратуры. Полученный результат обеспечит экономию на ее обслуживании в эксплуатации.
Моделированию в данном локомотиве подверглось всё: от электрической схемы локомотива до каркасов каждого модуля, поэтому с уверенностью можно сказать, что впервые в Компании был создан цифровой макет локомотива. Проведя работы с заказчиками и рассмотрев их модели эксплуатации локомотивов, был сделан однозначный вывод, что современный локомотив должен быть гибким не только в части конфигурации, но и в части управления как самой тягой локомотива, так и его обеспечивающими системами. Это необходимо для того, чтобы добиться максимального эксплуатационного эффекта. Указанные факторы и подтолкнули инженеров к разработке новой, современной системы управления.
МПСУиД — микропроцессорная система управления и диагностики. Локомотив ТЭМ10 оснащается новой микропроцессорной системой управления и диагностики (МПСУиД), имеющей увеличенную производительность, а также скорость и надежность внутренней шины передачи данных. В системе применены микроконтроллеры отечественного производства с ядром ARM. МПСУиД соответствует всем требованиям отечественных стандартов и по своим характеристикам не уступает зарубежным аналогам.
Особенностью МПСУиД являются распределение управления исполнительными механизмами по всему тепловозу. Следствием этого являются упрощение электромонтажа, сокращение количества кабельной продукции и разъемных соединителей.
МПСУиД тепловоза ТЭМ10 (рис. 4) — это связующее звено всей электроники. Так же, как и в современных автомобилях, бортовой компьютер управляет многими аспектами работы авто, от круиз-кон-троля до стеклоподъемников. Для достижения максимальной энергоэффективности и, одновременно, сохранения ресурса оборудования, важной функцией системы управления является динамическое распределение нагрузки между вспомогательными нуждами тепловоза. Цифровая связь с системами безопасности позволила минимизировать количество установленных датчиков, что положительно сказалось одновременно и на надежности, и на цене.
Для отображения необходимых для машиниста параметров на каждом пульте установлен дисплейный модуль, управление отображаемой информацией предусмотрено как с помощью физических кнопок, так и сенсорного экрана. Интерфейс дисплейного модуля детально проработан, интуитивно понятен и удобен.
Электронная начинка МПСУиД разработана с применением только высококачественных промышленных компонентов ведущих мировых производителей, предусмотрены аппаратные и программные защиты от недопустимых режимов работы, коротких замыканий, отказов отдельных узлов. Живучесть системы находится на очень высоком уровне. Однако в случае выхода из строя отдельных узлов благодаря развитой самодиагностике и модульной конструкции восстановление работоспособности системы при наличии ремонтной базы займет менее 30 мин.
Благодаря высокой производительности МПСУиД удалось внедрить ряд функций, ранее не реализованных. В частности, система управления производит запись более 3000 различных параметров. Помимо показаний датчиков и управляющих команд, фиксируются внутренние расчетные величины, а также наработка отдельных узлов. Объем памяти и ее организация позволяют хранить данные за несколько месяцев работы тепловоза.
Данные, хранящиеся в памяти тепловоза, могут быть доступны прямо в кабине машиниста из дисплейного модуля вместе с информационными сообщениями для персонала, проводящего техническое обслуживание и ремонт. Пользу записываемой информации сложно переоценить, так как это позволяет в определенной мере реализовать предиктивную диагностику оборудования вплоть до внедрения системы технического обслуживания и ремонтов «по состоянию».
Необходимо отметить, что СТМ может предоставить программные средства автоматизированного анализа информации, позволяющие выявлять нарушения в режимах работы оборудования и проводить технологическое обслуживание до возникновения отказов, тем самым снижая издержки эксплуатации на ремонт и риск простоя из-за неисправности или ожидания запасных частей. Для удобства эксплуатации оборудование кабины машиниста позволяет легко считывать хранимую информацию. Таким образом, предприятие, эксплуатирующее тепловоз, будет контролировать эффективность его работы.
Еще одной особенностью МПСУиД тепловоза ТЭМ10 является реализация работы по системе многих единиц. Межсекционная связь позволяет соединяться с тепловозами как ТЭМ10, так и других серий, оснащенными МПСУиД, в том числе модернизированными.
Модульная компоновка локомотива. Параллельно созданию систем управления шла работа по компоновке локомотива.
Коммутационное электрооборудование (реверсоры, линейные контакторы, контакторы ослабления поля) было решено разместить в двух модулях, которые находятся непосредственно над тележками. Это позволило сократить количество кабельной продукции и упростить электромонтаж. В этих же модулях разместили два вентилятора охлаждения ТЭД. Благодаря минимизации длины и проведенной работе по оптимизации аэродинамики конструкции воздуховодов, при помощи созданной векторно-цифровой модели системы охлаждения тяговых двигателей (рис. 5) удалось уменьшить аэродинамические потери, и, как следствие, снизить потребляемую мощность мотор-вентиляторов. Модуль охлаждения размещен между двумя силовыми модулями, что позволило минимизировать количество трубопроводов системы охлаждения. Общая компоновка локомотива представлена на рис. б
В связи с ранее принятым решением об использовании коллекторных тяговых электродвигателей было решено применить уже зарекомендовавшую себя своей надежностью, хорошей вписывае-мостью в кривые, ремонтопригодностью и минимальным износом бандажей экипажную часть тепловоза ТЭМ9 (рис. 7).

В качестве компрессорного агрегата установлен модульный винтовой компрессор производства Челябинского компрессорного завода производительностью 5,25 м3/мин с системой предварительного влагоудаления и отдельной системой осушки и очистки воздуха. Качество сжатого воздуха на тепловозе соответствует ГОСТ 32202, что позволяет использовать тепловоз ТЭМ10 на всех видах работ, в том числе с подвижным составом, требующим сжатый воздух повышенного качества.
В итоге всё оборудование было размещено в снимаемых модулях. При таком подходе достигается сразу несколько ключевых преимуществ:
- в изготовлении — это позволяет запускать в производство раму тепловоза на более ранних стадиях, а комплектацию модулей вести в соответствии с требованиями заказчика; установка же полностью укомплектованных всем оборудованием, трубными системами и электромонтажом модулей происходит на финальной стадии сборки. Тем самым изготовитель уменьшает время операций, производимых на основной сборочной линии, ускоряя такт выпуска продукции;
- при проведении крупных ремонтов появляется возможность, при наличии подменных модулей, значительно ускорить сроки проведения ремонтов (рис. 8).
Кабина сделана так же по модульному принципу. Два пульта кабины машиниста позволяют равноценно управлять движением локомотива в обе стороны. В базовой комплектации на обоих пультах предусмотрены краны машиниста № 254 и № 395М.
Стоит отметить унификацию кабин. Предусмотрены два варианта изготовления тепловоза: по габариту 1 -Т (рис. 9), и по габариту 02-ВМ (рис. 10) по ГОСТ 9238. В обоих случаях используется одна и та же кабина (в габарите 02-ВМ ветровое стекло заменяется пластиковой деталью интерьера), но установлены они на подкабинные рамы разной высоты.
Оптимизации был подвергнут и модуль охлаждения тепловоза ТЭМ10. Первая особенность, повлиявшая на конструкцию модуля охлаждения, — это потребность в установке воздухо-воздушных радиаторов охлаждения наддувочного воздуха, так как данный типоразмер двигателей использует именно такую технологию. Также были проанализированы различные варианты самих секций радиаторов на жизненном цикле. И выбор был сделан в пользу блочных алюминиевых радиаторов. В ходе оптимизационных расчетов тепло-газодинамики была выбрана оптимальная конструкция как самого модуля, так и подобрана характеристика вентилятора со спрямляющим аппаратом.
Все вспомогательные электрические машины на локомотиве асинхронные, а, значит, требуют меньше обслуживания на жизненном цикле. Управление всеми вспомогательными нагрузками от статического преобразователя собственных нужд, который разработало и изготовило ООО «Горизонт», г. Екатеринбург, позволило оптимизировать расходы мощности на вспомогательные нужды даже в частичных режимах. Питание ПСН осуществляется от асинхронного генератора из состава тягового электромашинного агрегата АТ-428, поставляемого концерном «Русэлпром».
Заказчик на первую машину уже определен, им стало ООО «СинараПромТранс» — предприятие по оказанию услуг тяги, транспортному обслуживанию и полному сервисному обслуживанию, входящее в холдинг «СТМ» и за последние несколько лет накопившее огромный опыт эксплуатации и ремонта всей техники, выпускаемой холдингом. Это позволит отработать все аспекты эксплуатации и ремонта на жизненном цикле локомотива и предоставить будущим заказчикам не сырой опытный образец, а качественный серийный продукт, не имеющий пробелов ни в конструкции, ни в эксплуатационной и ремонтной документации.

Авторы локомотива надеются, что новый модельный ряд ТЭМ10 станет серийно закупаемым как для путей необщего, так и для путей общего пользования. Технико-экономические расчеты показывают, что по сравнению с традиционными (шестиосными) тепловозами с электропередачей, локомотивы семейства ТЭМ10, при близких тяговых характеристиках (рис. 11) в движении, обладают значительно меньшей стоимостью (в минимальной комплектовке и комплектации), не менее чем в два раза лучшей адаптивностью к объектам инфраструктуры (радиус кривых, ординаты стрелочных переводов и др.), экономикой в эксплуатации.
По замыслу авторского коллектива, новые локомотивы должны решить основную задачу — обновить, существенно улучшить эффективность и значительно снизить стоимость локомотивной тяги на местных железнодорожных ветках, которые составляют свыше половины протяженности железных дорог нашей страны и необходимы для комплексно-устойчивого развития ее территории.