[02-2023] Тепловозы для детских железных дорог

[Admin]

Тепловозы для детских железных дорог

П.В. КАШИН, ведущий инженер Проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства — филиала ОАО «РЖД»

Детские железные дороги (ДЖД) являются специфическим видом узкоколейных железных дорог и предназначены для практического обучения школьников железнодорожным профессиям. На сегодняшний день на территории России функционируют 25 таких железных дорог. Многие из них поддерживаются в современном состоянии - содержится не только путь и подвижной состав, но также облагораживается прилегающая территория - высаживаются деревья (смотреть здесь), ведется облагораживание полосы отвода и т.д.

К началу XXI века основной тяговой единицей ДЖД как в России, так и в иных государствах бывшего СССР, оставался тепловоз серии ТУ2 (рис. 1). Такие локомотивы выпускались Калужским машиностроительным заводом в период с 1956 по 1959 гг. Данный локомотив имеет электрическую передачу мощности и кузов вагонного типа с двумя кабинами машиниста. Однако на рубеже веков все тепловозы ТУ2 уже давно отработали свой ресурс, находясь в эксплуатации более 40 лет.
В разные годы Камбарский машиностроительный завод (КМЗ) поставлял на ДЖД тепловозы серий ТУ7 и ТУ7А (рис. 2). В частности, в 1990 г. два тепловоза получила ДЖД в Чите и по одному — ДЖД в Харькове и Киеве. Однако такая замена являлась не совсем эквивалентной. Помимо наличия гидропередачи, локомотивы данного типа имеют сугубо «маневровую» компоновку кузова капотного типа с одной кабиной машиниста, а также мощность, существенно превышающую потребности эксплуатации локомотивов на ДЖД. А это, в первую очередь, приводит к избыточному расходу топлива в процессе эксплуатации.

В течение нескольких десятилетий предпринимались попытки разработать специализированный локомотив для ДЖД. В частности, вариант такого локомотива под обозначением ТЭУ16 (рис. 3) был спроектирован группой сотрудников конструкторского бюро Всесоюзного научно-исследовательского института торфяной промышленности (ВНИИТП, Ленинград, ныне Санкт-Петербург). Поскольку этот институт уже имел большой опыт в области проектирования узкоколейных путевых машин и тяговых агрегатов, проект тепловоза был подготовлен очень быстро. За основу экипажной части и тягового привода была взята конструкция соответствующих узлов мотовоза (самоходной электростанции) ЭСУ-3 постройки мастерских Губинского торфопредприятия объединения Ореховоторф (Московская область), опытный экземпляр которой проходил в то время испытания на путях Шатурского транспортного управления.
В этой связи на тепловозе ТЭУ16 планировалось применить тележки с осевыми редукторами, унифицированными с тележками ранее строившихся на том же Губинском торфопредприятии мотовозов-электростанций типа ЭСУ-1 и ЭСУ-2а, а также электрическую передачу мощности постоянно-переменного тока с регулировкой частоты вращения тяговых электродвигателей (ТЭД) посредством регулирования напряжения на их зажимах, а не за счет изменения оборотов дизеля, который всегда работал на оптимальных оборотах.
В качестве ТЭД планировалось применить электродвигатели типа ДК-305 (ДК-309А) завода «Динамо», которые ранее использовались на автобусах ЗиС-154. Крутящий момент от двух ТЭД через раздаточную коробку оригинальной конструкции и карданные передачи должен был приводить во вращение осевые редукторы тележек. Такая компоновка позволяла за счет значительного снижения неподрес-соренных масс улучшить плавность хода и снизить воздействие на путь. Кроме того, размещение тяговых электродвигателей в кузове тепловоза давало возможность легко переоборудовать тепловоз под использование двигателей другого типа.
Некоторые особенности конструкции спроектированного тепловоза диктовались условиями эксплуатации на ДЖД. Так, кабина тепловоза была сделана четырехместной. Кроме машиниста и его помощника, в ней должны были размещаться машинист-инструктор и один стажер. В машинном отделении была предусмотрена установка небольшого верстака с тисками и шкафчика со слесарным инструментом.
В 1991 г. в мастерских Губинского торфопредприятия начались работы по постройке опытной машины под обозначением ТЭУ16-001. Были изготовлены рама тепловоза, тележки, начался монтаж агрегатов. К сожалению, из-за грянувшего в августе 1991 г. экономического кризиса все работы по постройке были прекращены, а заготовки тепловоза вскоре были разрезаны и сданы в металлолом.

Помимо этого, в конце 1980-х — начале 1990-х годов КМЗ по заказу Министерства путей сообщения предпринял попытку разработать на базе тепловоза ТУ7 локомотив специально для детских железных дорог. Тепловоз, получивший условное обозначение ТУ7С, должен был иметь кузов вагонного типа с двумя кабинами машиниста и с выходом из кабины не на открытую торцевую площадку, а через тамбур на обе стороны пути. Из-за этого компоновку агрегатов пришлось бы существенно изменить в сравнении с базовой моделью. К сожалению, все из-за того же экономического кризиса реализация этого проекта оборвалась на стадии дизайн-проекта (рис. 4), выполненного в городе Свердловске (ныне Екатеринбург).
В 2004 г. еще два серийных тепловоза ТУ7А № 3338 и 3339 были выпущены на КМЗ для строящейся Новосибирской ДЖД. Первоначально оба локомотива поступили в локомотивное депо Новосибирск (тогда ТЧ-4 Западно-Сибирской дороги), где их внешний вид был изменен. Каждый тепловоз получил фальш-капот круглого сечения, стилизованный под паровозный котел с дымовой коробкой, и такую же декоративную «паровозную» трубу. После переделки локомотивы поступили на детскую железную дорогу в Заельцовский парк города Новосибирска для постоянной эксплуатации.


Оба локомотива, кроме измененного внешнего вида, ничем не отличались от серийно выпускавшихся с декабря 1986 г. тепловозов ТУ7А. Следовательно, они имели те же проблемы с эксплуатацией на ДЖД, что ранее построенные. Это не могло устроить ОАО «РЖД», которое уже к тому времени планировало не только строительство новых ДЖД (в Новосибирске, Кемерове, Казани), но и коренную реконструкцию ранее построенных на территории России.
Поэтому в 2007 г. по заказу ОАО «РЖД» была разработана новая модификация тепловоза ТУ7А специально для детских железных дорог. Основными отличиями от серийных локомотивов этой серии являлось то, что в качестве силовой установки на тепловозе применили ярославский дизель ЯМЗ-238 мощностью 240 л.с. вместо 1Д12, а также выпускаемую в Казани по лицензии фирмы «Фойт» (Voith) гидропередачу типа Д851.3Е взамен УГП400-650.
Стоит отметить, что несмотря на внесенные существенные изменения в конструкцию, новые локомотивы не только не получили нового обозначения или индекса, но и продолжали выпускаться в общем номерном ряде с серийными ТУ7А. Чтобы отличать серийные тепловозы ТУ7А от модификации для ДЖД, последнюю далее по тексту будем обозначать «ТУ7А для ДЖД».
Первый тепловоз ТУ7А для ДЖД № 3343 (рис. 5) поступил на Новосибирскую ДЖД в 2007 г., где также был стилизован «под паровоз». Аналогичные тепловозы для ДЖД Камбарский завод строил в течение 2007 — 2009 гг.
Модификация ТУ7А для ДЖД представляет собой дизельный локомотив с гидромеханической передачей мощности и кузовом ка-потного типа. Он предназначен для пассажирских перевозок на детских железных дорогах колеи 750 мм. Техническая характеристика тепловоза приведена в табл. 1.
На тепловозе установлен четырехтактный восьмицилиндровый дизель ЯМЗ-238М2 водяного охлаждения, с непосредственным впрыском топлива Ярославского моторного завода. Аналогичные двигатели устанавливаются на грузовые автомобили УРАЛ. Мощность двигателя — 240 л.с. (176 кВт), экологический стандарт «Евро-0». Расположение цилиндров — V-образное, угол развала составляет 90°. Номинальная частота вращения вала дизеля — 2100 об/мин. Запуск двигателя осуществляется от аккумуляторной батареи. Для запуска в зимнее время установлен предпусковой подогреватель.

От дизеля крутящий момент передается на входной вал гидромеханической передачи D851.3E совместного производства ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение» (КМПО, г. Казань) и германской фирмы «Фойт» (Voith GmbH). Гидропередача имеет автоматический механизм переключения ступеней с электронно-гидравлическим управлением. Благодаря применению данной гидропередачи ускорение тепловоза происходит плавно, отсутствуют характерные толчки при трогании с места и торможении.

Управление тепловозом получилось достаточно простым. В частности, запрограммированное ускорение при разгоне позволяет машинисту локомотива сосредоточить свое внимание исключительно на безопасности движения, а также осуществлять движение с составом по крутым уклонам с заданной скоростью. Это является дополнительным преимуществом при работе в условиях ДЖД, когда к управлению под руководством взрослых машинистов-инструкторов могут допускаться железнодорожники юношеского возраста, не имеющие достаточного практического опыта в управлении локомотивами.
Крутящий момент от выходного вала гидропередачи передается к колесным парам локомотива последовательно через реверс-ре-дуктор, два карданных вала и осевые редукторы тележек. Реверс-редуктор крепится к раме тепловоза болтами. Он состоит из крышки, верхнего, среднего и нижнего корпусов, соединенных между собой по плоскости разъема болтами. В крышке смонтирован механизм переключения реверса, обеспечивающего три фиксированных положения — нейтральное, движение вперед и движение назад. Переключение осуществляется с помощью механизма включения с электрическим приводом и кнопок включения из кабины машиниста.
Силовая установка, кузов локомотива, а также вспомогательное и специальное оборудование устанавливаются на раме сварной конструкции. Ее главным несущим элементом является хребтовая балка с несколькими поперечными связями. На торцевых концах главной рамы имеются буферные балки, к которым крепятся сцепные устройства. По боковому контуру рама окантована швеллерами. В средней части рамы имеются четыре опоры для подъема тепловоза с помощью домкратов. Рама опирается на две тележки через восемь (по четыре на тележку) скользящих опор с резиновыми амортизаторами.
Тележка тепловоза двухосная, с челюстными буксами. Она состоит из рамы, двух колесных пар со взаимозаменяемыми осевыми редукторами, карданного вала, соединяющего редукторы, а также рессор и букс. Каждая ось снабжена индивидуальным комплектом пружинных рессор. Специальные осевые упоры букс предназначены для смягчения боковых ударов колес о рельсы. Это позволяет тепловозу плавно вписываться в кривые и уменьшить его негативное воздействие на путь. Тележка оборудована тормозной рычажной передачей, гасителями колебаний, а также предохранительными устройствами, предотвращающими падение на путь деталей рычажной передачи и карданных валов. Для предохранения карданных валов и опор рамы от поломок в главной раме тепловоза имеются ограничители, которые предотвращают разворот тележки в случае ее схода с рельсов.

Колесная пара тепловоза состоит из оси, на которой тепловым способом насажены два сборных (состоящих из колесного центра и бандажа) или цельнокатаных колеса с диаметром по кругу катания 600 мм. Разность по диаметру для одной колесной пары не должна превышать 0,5 мм, для тепловозокомплекта — 1 мм. Осевой редуктор монтируется на оси колесной пары на двух втулках с подшипниками. На корпусе редуктора имеется кронштейн крепления реактивной тяги, предотвращающей проворачивание осевого редуктора при передаче крутящего момента.
Кузов локомотива — капотного типа. Он полностью был заимствован от серийного тепловоза ТУ7А и состоит из просторной кабины машиниста и капота. Под последним размещены силовая установка, гидромеханическая передача, реверс-редуктор, топливный бак, другое вспомогательное оборудование и устройства.
Кабина машиниста оборудована широкими боковыми окнами со сдвижной средней частью. Вход осуществляется с торцевой площадки через дверь. В кабине имеются два идентичных пульта управления, расположенные по диагонали. Такое их расположение позволяет машинисту осуществлять управление тепловозом в комфортных условиях как при движении кабиной вперед, так и при движении капотом вперед. Перед каждым пультом расположено поворотное подрессоренное кресло. На пульте размещены контрольные приборы и лампы, кнопки и тумблеры, с помощью которых осуществляется управление тепловозом.
В отличие от серийных тепловозов ТУ7А, на пульте нет привычного контроллера машиниста в виде рулевого штурвала. Он заменен на отдельное управление реверс-редуктором (кнопки «Вперед» и «Назад»), кнопками включения передач (заимствованы от автобуса ЛиАЗ-5256) и плавным регулятором частоты вращения вала дизеля. В зависимости от исполнения, кнопки включения передач на пульте установлены следующие: «1», «2», [«3» — опционно], «D», «N», «R». Основным режимом движения тепловоза является режим «D» — режим автоматического переключения передач. Кнопка «N» — режим холостого хода. Режим «R» — задний ход — на тепловозе отключен, так как используется для этого реверс-редуктор.

Кабина машиниста оборудована средствами пожаротушения и поездной радиостанцией. По желанию заказчика может быть дооборудована дополнительными приборами безопасности, иными приборами и устройствами.
Пневматическая система предназначена для питания сжатым воздухом тормозной магистрали поезда, автоматического и вспомогательного тормоза, песочной системы, а также иного вспомогательного оборудования.
Тепловоз оборудован пневматическими и ручными колодочными тормозами. Для снабжения тепловоза сжатым воздухом применен поршневой двухцилиндровый компрессор одноступенчатого сжатия. Его производительность при частоте вращения 2000 об/ мин и противодавлении 0,7 МПа (7 кгс/см2) составляет не менее 0,22 м3/мин. Привод осуществляется от двигателя посредством клиноременной передачи. Для управления тормозами в кабине локомотива установлены кран поездного тормоза № 394 и кран локомотивного тормоза № 254. Тепловоз оборудован воздухораспределителем № 483. Тормозное нажатие осуществляется на все оси локомотива при пневматическом торможении и на две оси при использовании ручного (стояночного) тормоза.
Электрические цепи управления и освещения выполнены по однопроводной схеме с номинальным напряжением 24 В постоянного тока. В качестве источников тока используются генератор и аккумуляторные батареи. Генератор типа 63-3701 приводится во вращение от дизеля посредством ременной передачи с использованием поликлинового ремня. Реле-регулятор напряжения обеспечивает совместную работу генератора с аккумуляторной батареей и поддерживает напряжение генератора в пределах 27 ... 29 В. В качестве аккумуляторной батареи на тепловозе используются две свинцовых кислотных батареи типа 6СТ-190. Отрицательный полюс батареи соединен с корпусом тепловоза.

Для освещения пути в темное время суток локомотив оборудован с каждой торцевой стороны кузова одним прожектором и парой буферных фонарей. Звуковая сигнализация предусмотрена большой и малой мощности.
По имеющимся сведениям, в период 2007 — 2009 гг. Камбарским заводом было построено 18 тепловозов ТУ7А для ДЖД. Локомотивы, поступившие на вновь построенные дороги (Новосибирскую, Кемеровскую и Казанскую), были стилизованы «под паровоз» на месте. Распределение тепловозов по детским дорогам представлено в табл. 2.
Несмотря на явные преимущества эксплуатации специализированных тепловозов ТУ7А на детских железных дорогах, они имеют и явные недостатки. В частности, кузов капотного типа на железных дорогах широкой колеи характерен только для маневровых и маневрово-вывозных локомотивов. Магистральные локомотивы имеют кузов вагонного типа с двумя кабинами машиниста. Силовая установка экологического стандарта «Евро-0», примененная на локомотиве, который используется на территории детского учреждения, может вызывать справедливые нарекания активистов «зеленого» движения.
В июне 2009 г. по заказу Дирекции тяги — филиала ОАО «РЖД» были начаты работы по проектированию принципиально нового специализированного тепловоза для ДЖД, получившего обозначение ТУЮ. Работы велись конструкторским отделом Камбарского машиностроительного завода. В работе также принимал участие коллектив ОАО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (ВНИКТИ, г. Коломна Московской обл.). При этом элементы экипажной части (тележки, колесные пары, редукторы, карданные валы и т.п.), а также общая идея компоновки силовой установки и тягового привода были заимствованы от тепловоза ТУ7А для ДЖД. Кузов тепловоза ТУЮ проектировался вагонного типа с двумя кабинами машиниста, что делает его максимально похожим на магистральные локомотивы, работающие на линиях ОАО «РЖД» с колеей 1520 мм.
В начале 2010 г. проект был готов, и на КМЗ приступили к изготовлению опытного тепловоза ТУЮ-001 (рис. 6), который вышел из заводских ворот 10 августа 2010 г. Тепловоз представляет собой дизельный локомотив с гидромеханической передачей мощности и кузовом вагонного типа. Он предназначен для пассажирских перевозок на детских железных дорогах колеи 750 мм. Его техническая характеристика приведена в табл. 1. Стоит заметить, что для КМЗ это был фактически первый построенный узкоколейный локомотив с таким типом кузова.
В отличие от тепловоза ТУ7А для ДЖД, на локомотиве ТУЮ (рис. 7) установлен четырехтактный шестицилиндровый дизель ЯМЗ 6505.10 (6563.10) с турбонаддувом Ярославского моторного завода класса экологической безопасности «Евро-3». Аналогичные двигатели устанавливаются на грузовые автомобили МАЗ. Расположение цилиндров — V-образное, угол развала — 90°. Номинальная частота вращения вала составляет 1900t|g об/мин. Двигатель снабжен электронным регулятором частоты вращения ЭСУ-1 и микропроцессорным блоком управления M230E3. Для запуска дизеля служит стартер, получающий питание от аккумуляторной батареи.

От дизеля крутящий момент передается на входной вал гидромеханической передачи D864-6.3E производства ОАО «КМПО» (г. Казань) по лицензии фирмы «Фойт» (Voith). Гидропередача имеет автоматический механизм переключения ступеней с электронно-гидравлическим управлением. От выходного вала гидропередачи вращение передается колесным парам локомотива последовательно через реверс-редуктор, раздаточный редуктор, два карданных вала и осевые редукторы тележек, т.е. так же, как и на тепловозе ТУ7А для ДЖД.

Силовая установка расположена на раме сварной конструкции, которая опирается на две двухосные тележки с центральными шкворнями посредством восьми скользящих опор с резиновыми амортизаторами и текстолитовыми скользунами. Кузов состоит из расположенного в его центре машинного (дизельного) отделения, двух тамбуров и двух кабин по концам. Таким образом, имеются четыре наружных выхода, а тамбуры отделяют дизельное помещение от кабин, что должно снижать уровень шума в последних. Лобовые части кабин выполнены из полимерного материала.
Кабины унифицированы между собой, оборудованы системой «климат-контроль», эргономическими пультами управления, креслами машиниста и помощника машиниста. Дизайн пультов управления максимально приближен по дизайну к пультам управления современных магистральных локомотивов широкой колеи (рис. 8). Помимо этого, каждая кабина машиниста оборудована устройством КЛУБ-УП с регистрацией параметров движения, автоматической системой пожарной сигнализации и пожаротушения, радиостанцией РВС-1-01. Боковые окна в кабинах выполнены раздвижными прислонного типа.
Тележки и колесные пары локомотива такие же, как на тепловозе ТУ7А для ДЖД. Тепловоз ТУЮ оборудован пневматическими и ручными колодочными тормозами. Для снабжения тепловоза сжатым воздухом применен поршневой, непрямоточный, двухцилиндровый компрессор одноступенчатого сжатия. Привод осуществляется от дизеля посредством клиноременной передачи. Для управления тормозами в кабине локомотива установлены кран поездного тормоза № 394 и кран локомотивного тормоза № 254-1. Тепловоз оборудован воздухораспределителем № 292М. Нажатие на все оси локомотива осуществляется при пневматическом торможении и на две оси при использовании ручного (стояночного) тормоза.


Электрические цепи управления и освещения выполнены по однопроводной схеме с номинальным напряжением 24 В. В качестве источников электропитания используются генератор и аккумуляторная батарея. Генератор переменного тока ГЗОООБ приводится во вращение от дизеля посредством ременной передачи с использованием поликлинового ремня. В качестве аккумуляторной батареи на тепловозе ТУЮ используются две свинцовых кислотных батареи типа 6СТ-190АПЖ.
Локомотив оборудован звуковой сигнализацией, а для освещения пути в темное время суток — с каждой торцевой стороны кузова одним прожектором и парой буферных фонарей. В качестве источника света в них применены энергосберегающие светодиоды.
Тепловоз ТУЮ-001 поступил на Малую Октябрьскую детскую железную дорогу для эксплуатации на вновь построенном Южном участке. К настоящему времени для работы на ДЖД России выпущено 32 локомотива данной серии. Их распределение по детским железным дорогам представлено в табл. 3. По данным из открытых источников, последний выпущенный на сегодня тепловоз ТУЮ-033 построен специально для первой в Монголии детской железной дороги в городе Дархан, куда и был отправлен с КМЗ 15.09.2021 г.
При написании данной статьи были использованы материалы Камбарского машиностроительного завода и информация с сайта «Детские железные дороги СССР» (http://www.dzd-ussr.ru). Автор выражает благодарность коллективу Камбарского машиностроительного завода и бывшему главному конструктору В.А. Манохину за предоставленные материалы и рецензирование данной статьи.