[05-2020] Только ли локомотив ограничивает рост массы грузовых поездов?

[Admin]

Только ли локомотив ограничивает рост массы грузовых поездов?

А.Г. ЛАМКИН, первый заместитель директора Проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства ОАО «РЖД»,
П.В. КАШИН, ведущий инженер бюро

Совершенствование длинносоставного и тяжеловесного движения с дальнейшим ростом средней массы поездов является одним из приоритетных направлений развития грузовых перевозок железнодорожного транспорта Российской Федерации.
Казалось бы, решение этой проблемы лежит на поверхности — чем выше мощность локомотива, тем поезд большей массы он может провезти. Можно вообще, не внося никаких усовершенствований в конструкцию, просто увеличивать количество локомотивных секций, устанавливаемых как в голове и в составе поезда, так и в его хвосте. Но такое решение — просто только на первый взгляд. Результаты проводимых в последнее время испытаний и подконтрольной эксплуатации инновационных локомотивов с поездами повышенной массы и длины (далее — ПМД) показали, что мощность даже двух- и трехсекционных локомотивов, установленных в голове состава, на ряде участков уже бывает избыточной, а ограничивает допустимую массу состава совсем не локомотив.
Так, созданный специально для вождения тяжеловесных поездов на тепловозном ходу БАМа (участок Таксимо — Хани — Комсомольск) локомотив ЗТЭ25К2М не смог в полной мере реализовать заложенный в него потенциал. Инфраструктура полигона оказалась не готова к пропуску поездов той массы, под которую он проектировался. А при вождении унифицированных для данного участка поездов его топливо-энергетические показатели оказались сравнимы и даже ниже аналогичных показателей серий локомотивов, эксплуатируемых в настоящее время на БАМе. В связи с этим эксплуатация тепловозов серии ЗТЭ25К2М на первоначальном этапе (с начала текущего года и до завершения реконструкции линии Таксимо — Хани) предусмотрена пока только на участке Волочаевка — Комсомольск — Ванино.
Это всего один пример. Значит, дело не только в локомотивах и локомотивном комплексе. Сдерживать наращивание массы грузовых поездов могут и иные причины. Постараемся разобраться в некоторых из них.

ОГРАНИЧЕНИЕ ПО ПРОДОЛЬНОЙ ДИНАМИКЕ ПОЕЗДА
Согласно таблицам 1 и 2 стандарта [1] (далее — Стандарт), если в составе грузового поезда имеются порожние четырехосные грузовые вагоны или загрузка вагона составляет 20 т и менее, то сжимающие силы в таком поезде не должны превышать 294 кН (30 тс), а растягивающие — 392 кН (40 тс). Для поезда, состоящего из вагонов с полной загрузкой, максимальные значения этих же сил составляют (согласно тем же таблицам) — 1176 кН (120 тс) и 1275 кН (130 тс) соответственно. То есть, ровно в три-четыре раза больше! Почему?
Все дело в том, что устойчивость колеса железнодорожного подвижного состава от схода с рельсов определяется двумя основными факторами:
отношением боковой силы к вертикальной нагрузке на колесо;
углом набегания колеса на боковую грань головки рельса.
Остановимся подробнее на первом факторе. Боковая сила, действующая на вагон при его движении в составе поезда, является поперечной горизонтальной (относительно оси пути) составляющей продольной силы. (В зависимости от режима ведения и от элемента профиля, по которому этот поезд в данный момент времени движется, продольная сила может быть растягивающей или сжимающей.) Боковая сила возникает, когда в плане вагоны располагаются под некоторым углом друг к другу. Этот угол небольшой, и такое возможно при движении поезда в кривой либо в случае сжатия состава при торможении или движении по спуску. Поэтому при появлении в составе поезда продольных сил выше некоторых допустимых значений появляется риск вкатывания колеса на головку рельса с последующим сходом подвижного состава.
Как оценить эти допустимые значения в числовом выражении?

Данный коэффициент нормирован и должен быть не менее 1,3. Из приведенной формулы видно, что чем выше вертикальная нагрузка от набегающего колеса, обусловленная осевой нагрузкой, а, значит, степенью загрузки вагона (массой груза), тем выше коэффициент устойчивости. Влияние веса вагона на его устойчивость в рельсовой колее обуславливается следующими основными факторами:
- изменение загрузки вагона приводит к изменению его инерционных параметров;
- нагрузка препятствует «вползанию» гребня колеса на рельс;
с увеличением веса вагона уменьшается влияние величины продольных сил, вызывающих изменение вертикальных и боковых сил в системе «колесо-рельс».

Таким образом, порожние вагоны в составе грузового поезда наиболее подвержены потере устойчивости при движении в рельсовой колее. Особенно на участках, имеющих в плане 5-образные кривые или кривые малого радиуса. Вот почему для порожних вагонов и вагонов с неполной загрузкой указываются значительно меньшие значения допустимых величин продольных сжимающих и растягивающих сил. Кроме того, не вдаваясь глубоко в теоретические подробности, стоит отметить, что в существующий Стандарт эти величины внесены на основании математического моделирования и натурных испытаний и отражают предельный порог значений, не влияющих на безопасность движения поездов.
Из вопроса устойчивости на рельсовом пути вагонов в составе грузового поезда вытекают еще две самостоятельные и немаловажные проблемы: безопасная эксплуатация длинносоставных и соединенных поездов, состоящих из порожних вагонов, а также ограничение силы тяги при применении технологии подталкивания.
В последнее время на сети ОАО «РЖД» уделяется много внимания вопросу эксплуатации грузовых составов повышенной длины, состоящих из порожних вагонов и соединенных поездов из таких вагонов. Ведь не секрет, что на основных железнодорожных магистралях имеются ярко выраженные грузовые (например, в сторону морских портов и крупных потребителей груза) и порожние (обратно) направления. И если обращение тяжеловесных поездов достаточно регламентировано с точки зрения нормативной документации (см., например, Распоряжение [2]), то с «порожняками» не все так однозначно. Между тем, совершенствование технологии их вождения не менее важно для дальнейшего увеличения пропускной способности дорог.
Так, действующие в настоящее время нормативные документы, основанные на рекомендациях АО «ВНИИЖТ», предусматривают проведение подконтрольной эксплуатации соединенных грузовых поездов с постановкой локомотива в голове и составе поезда, сформированного из порожних вагонов с числом осей от 480 до 570 (включительно), с объединенной тормозной магистралью. В ближайшей перспективе предусмотрено дальнейшее развитие технологии вождения соединенных грузовых порожних поездов, предусматривающее проведение испытаний подобных составов длиной до 800 осей (200 четырехосных вагонов).

Другой проблемой, вытекающей из вопроса устойчивости вагонов в рельсовой колее, является безопасное усилие подталкивания поездов повышенной массы. В качестве примера здесь можно привести Тигровый перевал на линии Смоляниново — Находка Восточного полигона. Применение технологии подталкивания здесь ограничивается максимальным усилием в 40 тс (392 кН) из-за наличия постоянного ограничения скорости движения поездов до 60 км/ч (см. примечание к табл. 1 Стандарта).
Тяжеловесные поезда перед въездом на данный горно-перевальный участок приходится переформировывать, снижая их массу до допустимых значений. Казалось бы, самым простым решением проблемы для данного участка было бы внесение соответствующих изменений в Стандарт. Однако, как уже излагалось выше, объективные законы физики «подкорректировать» невозможно, и увеличение силы подталкивания повлечет за собой увеличение сжимающих сил. Как следствие, это приведет к снижению коэффициента устойчивости вагонов в рельсовой колее и будет создавать угрозу безопасности движения. Поэтому избавиться от ограничения скорости на данном участке можно только путем проведения его коренной реконструкции с изменением плана и профиля.
ОГРАНИЧЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЮ
Требования к устройствам тягового электроснабжения при организации обращения поездов повышенной массы и длины (ПМД) достаточно подробно отражаются все в том же Стандарте и здесь подробно приводиться не будут. Необходимо лишний раз напоминать, что они обусловлены не только паспортными характеристиками оборудования тяговых подстанций и других составляющих системы энергоснабжения, но и характеристиками оборудования электровозов, обеспечивающих их безаварийную работу.
Только за последние пять лет при проведении испытаний с ПМД и соединенными поездами неоднократно выявлялись случаи снижения напряжения в контактной сети ниже допустимых значений. Так, в январе 2016 г. были проведены испытания с поездом массой свыше 8 тыс. т на участке Дёма — Рыбное при тяге двумя локомотивами 2ЭС10 «Гранит». В процессе поездки были зафиксированы неоднократные падения напряжения в контактной сети вплоть до срабатывания защиты на тяговых подстанциях. Эксплуатация электровозов 2ЭС10 «Гранит» на Московской и Куйбышевской дорогах признана в настоящее время нецелесообразной, в том числе и по результатам проведенных испытаний.

Понятно, что решить данную проблему увеличением допустимых значений напряжения в контактной сети нельзя. Значит следует модернизировать оборудование тяговых подстанций, а возможно и оптимизировать их расположение на участке обращения ПМД, особенно на линиях, электрифицированных на постоянном токе.
Кроме того, специалистами тягово-энергетических лабораторий нередко указывалось на нерациональное расположение отдельных нейтральных вставок в контактной сети переменного
тока. Их наличие, как известно, требует на время полного отключения тягового электрооборудования локомотива (его перевод из режима тяги в режим выбега), что негативно сказывается на динамике проследования поездов по таким участкам. Положительным примером решения проблемы расположения нейтральных вставок стал перенос одной из них, расположенной на перегоне Бискамжа — Нанчхул Красноярской дороги, в более удобное с точки зрения режима ведения ПМД место.


ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТ ЛОКОМОТИВА НА ВЕРХНЕЕ СТРОЕНИЕ ПУТИ
Согласно тому же Стандарту, тяговое усилие, приложенное от колесной пары локомотива на рельсы, не должно превышать 6,5 тс (63,75 кН) на ось. То есть суммарное тяговое усилие 12-ос-ного локомотива — трехсекционного электровоза (3x4 оси) или двухсекционного тепловоза (2x6 осей) — не должно быть больше значения 6,5 х 12 = 78 тс (765 кН). Превышение данного норматива влечет за собой возможное нарушение геометрии рельсового полотна.
Как показывают проведенные испытания с инновационными локомотивами, уже сейчас они потенциально могут обеспечить тяговое усилие, передающееся от оси локомотива на рельсошпальную решетку, больше чем то, которое указано выше. Но данный норматив действует уже достаточно давно. За прошедшее время на железнодорожном транспорте многое поменялось: усилено верхнее строение пути (применяются бетонные шпалы на щебеночном балласте вместо деревянных шпал на песчаном балласте), используются новые типы рельсовых скреплений, изменились тормозные приборы вагонов и локомотивов. Поэтому изменение данного норматива в сторону увеличения вполне возможно, но только после проведения соответствующих исследований, натурных испытаний и реконструкции всей инфраструктуры обращения тяжеловесных поездов до уровня соответствия требованиям Стандарта.
Пожалуй, это одно из немногих нормативных ограничений тяжеловесного движения, условия которого можно пересмотреть при условии проведения работ по модернизации существующей инфраструктуры.
Таким образом, становится понятно, что на ряде участков общего пользования ОАО «РЖД» дальнейшее увеличение массы поезда возможно либо благодаря приведению инфраструктуры к требованиям Стандарта, либо пересмотру отдельных требований существующих нормативных документов, выполненных на основании данных, полученных расчетами и подтвержденных испытаниями.
Реконструкция инфраструктуры — дело очень затратное и не всегда экономически оправданное. И тут возникает вполне реальное, но и опасное желание внести изменения в действующие нормативные документы, снижающие жесткость их требований. Надо помнить, что такие изменения не должны оказывать негативного влияния на вопросы обеспечения безопасности перевозочного процесса. Поэтому менять положения нормативных документов можно только после предварительного проведения соответствующих испытаний с привлечением специалистов отраслевых научно-исследовательских институтов и только после получения положительных заключений по их результатам.
Наряду с необходимостью предварять внесение изменений в документы проведением соответствующих испытаний, следует соблюдать еще одно важное условие. Актуализировать нормативную базу нужно при обязательном соблюдении иерархии изменяемых документов. Нельзя, например, вносить изменения в Инструкцию [2] без предварительной актуализации Стандарта, а изменять последний нельзя без актуализации вышестоящих документов, таких как Правила технического обслуживания тормозного оборудования и управления тормозами железнодорожного подвижного состава, утвержденные приказом Минтранса России от3.06.2014№ 151.

Таким образом, устоявшееся мнение о том, что повышение массы грузовых поездов зависит только от увеличения мощности локомотива, является однобоким. Для решения задачи по увеличению пропускной способности дорог ОАО «РЖД» требуется комплексный подход. Вместе с усовершенствованием конструкции локомотива, совершенствованием алгоритмов их управления, необходимо продолжать работу по развитию инфраструктуры и актуализации нормативной базы по тяжеловесному и длинносоставному движению.

Библиография
1. СТО «РЖД» 1.07.002-2010. Инфраструктура железнодорожного транспорта на участках обращения грузовых поездов повышенного веса и длины. Технические требования : утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 25.11.2010 № 2412р (в ред. от 18.04.2016 № 678р). Введ. 2010-12-01. Изм. 2016-06-01. Доступ через ЕСПС «КонсультантПлюс» (дата обращения 20.04.2020 г.).
2. Инструкция по организации обращения грузовых поездов повышенной массы и длины на железнодорожных путях общего пользования ОАО «РЖД» : утв. распоря
жением ОАО «РЖД» от 1.09.2016 № 1799р ( в ред. от 31.01.2019). Доступ через ЕСПС «КонсультантПлюс» (дата обращения 20.04.2020 г.).
3. Временная методика и инструкция по проведению опытных поездок для определения критических норм масс грузовых поездов при электрической тяге: утв. МПС России 29 марта 1995 г. Доступ через ЕСПС «КонсультантПлюс» (дата обращения 20.04.2020 г.).
4. Ромен Ю.С., Мугинштейн Л.А., Неверова Л.И. Влияние продольных сил в поездах на опасность схода вагонов в зависимости от их загрузки // Транспорт Российской Федерации. 2013. № 3 (46). С. 64 — 68
5. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.: ГосНИИВ; ВНИИЖТ, 1996.319 с.
6. ГОСТ 33211—2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам (С Поправкой). Введ. 2016-07-01. Изм. 2017-08-01. М.: Стандартинформ, 2016.57 с.
7. Ермоленко И.Ю. Анализ критериев устойчивости колеса на рельсе, применяемых при расследованиях схода подвижного состава // Молодая наука Сибири : электронный научный журнал. 2018. № 1 (1). URL: http://mnv.irgups.ru/analiz-kriteriev-ustoychivosti-kolesa-na-relse-primenyaemyh-pri-rassledovaniyah-shoda-podvizhno