[09-2018] Перспективный тепловоз для восточного полигона

[Admin]

Перспективный тепловоз для восточного полигона

B. В. ЗАК, канд. техн, наук, начальник отдела ПКБ ЦТ ОАО «РЖД»
И.П. ВАСИЛЬЕВ, главный конструктор ПКБ ЦТ, аспирант ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ», А.С. КУЛАБУХОВ, инженер ПКБ ЦТ, C. А. ДМИТРИЕВ, главный конструктор ПКБ ЦТ, аспирант ФГБОУ ВО МГУПС «МИИТ», Р.С. ВАРФОЛОМЕЕВ, ведущий инженер ПКБ ЦТ

Приоритетным направлением в освоении возрастающих объемов перевозимых грузов, предусмотренных «Стратегией развития железнодорожного транспорта до 2030 года» и «Транспортной стратегией РФ на период до 2030 года», является повышение технического уровня действующего парка тягового подвижного состава или его своевременное обновление.
Стратегические ориентиры Компании

В соответствии со «Стратегией развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года» прогнозируется увеличение объемов перевозочной работы на 29,1 — 36,5 % на перспективу до 2030 г. по сравнению с базовым 2015 г. [1,2]. В связи с этим, в рамках повышения эффективности железнодорожных перевозок перед локомотивным комплексом поставлены задачи обеспечения тяговыми ресурсами заданных объемов перевозок при безусловном выполнении требований безопасности движения поездов, унификации тягового подвижного состава и его обновления благодаря применению современных локомотивов с улучшенными тяговыми характеристиками.

В 2016 г. для выполнения данных задач по поручению Правительства Российской Федерации в ОАО «РЖД» был разработан проект Программы развития тяжеловесного движения на железнодорожном транспорте. Он предусматривает повышение массы грузовых поездов до 7100 т без изменения их прежней составное™ (71 условный вагон) на сети Российских дорог (в первую очередь на тепловозном ходу Восточного полигона) благодаря использованию вагонов с повышенной до 25 тс осевой нагрузкой, а в перспективе — до 21 тс [3].

В декабре 2016 г. под председательством заместителя генерального директора ОАО «РЖД» — начальника Дирекции тяги О.С. Валинского состоялось заседание секции «Локомотивное хозяйство» научно-технического совета ОАО «РЖД». На этом совещании была рассмотрена разработанная Проектно-конструкторским бюро локомотивного хозяйства (ПКБ ЦТ) ОАО «РЖД» в рамках Программы развития тяжеловесного движения концептуальная платформа линеек новых локомотивов на перспективу до 2025—2030 гг. с учетом унификации тягового подвижного состава на полигонах эксплуатации. Предприятиям транспортного машиностроения рекомендована «Матрица эксплуатационных требований к локомотивам на период до 2025—2030 гг.» (таблица) [4].

Факторы, влияющие на реализацию локомотивами максимальной силы тяги

Повышение массы грузовых поездов напрямую зависит от реализуемой длительной силы тяги современных локомотивов. Она, как правило, ограничивается тепловыми характеристиками тягового привода, максимально допустимыми растягивающей и сжимающей силами в грузовых поездах повышенного веса, нагрузкой от одной тяговой оси локомотива по состоянию пути, а также условиями сцепления колеса с рельсом (рис. 1) [5]. С учетом всех этих ограничений в соответствии с Правилами тяговых расчетов для поездной работы (далее ПТР) осуществляется расчет критической массы поезда [6], проверяемой при проведении тягово-энергетических испытаний тягового подвижного состава.

По ПТР коэффициент сцепления рассчитывается индивидуально для локомотивов разных серий в зависимости от их скорости движения.

Для тепловозов расчетный коэффициент сцепления Ч'к определяется по формуле [6]:

В эксплуатации значение коэффициента сцепления определяется множеством случайных факторов и может существенно отличаться от расчетного как в большую, так и в меньшую сторону. При этом снижение данного показателя в эксплуатации ниже расчетного значения зачастую приводит к остановкам поездов на подъемах и, соответственно, нарушению графика движения поездов.

В целом на реализацию потенциального фактического коэффициента сцепления колес с рельсами и на расчетную тяговую характеристику тепловоза оказывают влияние (рис. 2) разброс характеристик тяговых электродвигателей (ТЭД), разница в диаметрах бандажей колесных пар (КП), схема соединения ТЭД, жесткость тяговых характеристик. Кроме того, на них влияет развеска локомотива, конструкция экипажной части и схемные настройки противобоксовочной защиты колесных пар локомотива.

В связи с этим большое значение для перевозочного процесса имеет более полное использование тяговых свойств локомотивов, позволяющее повысить уровень ограничения по сцеплению и реализовать максимальную силу тяги, в том числе при неблагоприятных климатических условиях.

Современные магистральные грузовые тепловозы

В настоящее время на дорогах России широко эксплуатируются современные грузовые тепловозы серий 2ТЭ116У мощностью 2x2650 кВт, ЗТЭ116У мощностью 3x2650 кВт и 2ТЭ25КМ мощностью 2x2650 кВт с электрической передачей переменно-постоянного тока и конструкционной скоростью 100 км/ч [7].

Эти локомотивы оборудуются ТЭД постоянного тока типа ЭД133 мощностью 414 кВт, которые при диаметре колес 1050 мм и передаточном отношении тягового редуктора 4,41 в длительном режиме работы ТЭД обеспечивают создание силы тяги одной колесной парой 53,9 кН (5,5 тс).

Колесные пары с таким диаметром колеса и параметром тягового редуктора применяются на всех выпускаемых и эксплуатируемых магистральных и маневровых тепловозах, кроме 2ТЭ25К и 2ТЭ25А. Дополнительно техническими условиями на изготовление и поставку ТЭД типа ЭД133 установлен часовой режим, при котором обеспечивается сила тяги 58,4 кН (5,96 тс).

В настоящее время тяговые электродвигатели постоянного тока для комплектации колесно-моторных блоков с моторно-осевыми подшипниками качения для современных магистральных грузовых тепловозов выпускаются ГП Завод «Электротяжмаш» (г. Харьков, ЭД133К), ООО «ПК НЭВЗ» (г. Новочеркасск, ДТК-417К), ЗАО «ПТФК "ЗТЭО"» (г. Набережные Челны, ЭДУ133КЧ) и освоены в производстве ООО «Сибэлектропривод» (г. Новосибирск, ЭДТ133К).

Одной из задач этих предприятий является создание тягового электродвигателя постоянного тока, обеспечивающего силу тяги длительного режима 60,76 кН (6,2 тс), а в перспективе и до 63,7 кН (6,5 тс), с учетом неизменных диаметра колес (1050 мм) и передаточного отношения тягового редуктора (4,41).

В соответствии с требованием пункта 4.5.5 действующего в ОАО «РЖД» отраслевого стандарта СТО «РЖД» 1.07.002—2010 «Инфраструктура железнодорожного транспорта на участках обращения грузовых поездов повышенного веса и длины. Технические требования» максимально допускаемая растягивающая продольная сила в грузовых поездах повышенного веса и длины не должна превышать 1275 кН (130 тс), максимально допустимая сжимающая сила — 1176 кН (120 тс), а допустимая нагрузка от одной тяговой оси локомотива на бесстыковом пути не должна превышать 63,7 кН (6,5 тс).

Оценка тяговых свойств перспективного тепловоза с учетом существующих ограничений

Исходя из ограничения по растягивающей силе тяге 1275 кН (130 тс) и существующего единственного типа тягового электродвигателя постоянного тока, накладывающего основное ограничение на конструкцию перспективного локомотива с длительной силой тяги 53,9 кН (5,5 тс), специалистами ПКБ ЦТ ОАО «РЖД» рассчитано максимально возможное число тяговых осей, равное 24 [5,8].

Основываясь на этом, сформировать локомотив из 24 тяговых осей в голове поезда возможно благодаря четырем шестиосным секциям или трем восьмиосным. При этом одна восьмиосная секция будет иметь длительную силу тяги 53,9-8 = 431,2 кН (5,5-8 = 44 тс), а шестиосный — 53,9-6 = 323,6 кН (5,5-6 = 33 тс).

При этом расчетный коэффициент тяги (коэффициент сцепления) при реально допустимой по состоянию пути нагрузке 25 тс/ось составит 0,22. Аналогичные значения коэффициента тяги реализуются на тепловозах типа 2ТЭ116У и 2ТЭ25КМ [9].

Тепловоз для вождения поездов массами 7100 и 9000 т по Восточному полигону

Наиболее тяжелым из-за сложного профиля пути и климатических условий является участок Таксимо — Советская Гавань (3200 км) Восточного полигона, где преобладают руководящие подъемы 10 %о [8].

Для оценки тяговых свойств перспективного тепловоза ПКБ ЦТ ОАО «РЖД» по профилю участка Таксимо — Советская Гавань проведены сравнительные тяговые расчеты для двух типов формирования экипажной части (6- и 8-осной) при ведении поездов массой 7100 т (71 условный вагон с нагрузкой 25 тс/ось), по результатам которых было установлено, что для ведения поезда вышеуказанной массы на подъемах величиной до 10 %о перспективный локомотив должен реализовывать касательную силу тяги (Fj>) порядка 800 кН (81,63 тс) [8].

Такая сила тяги может быть обеспечена либо двумя восьмиосными секциями тепловоза (431,2-2 = 862,4 кН, или 88 тс), либо тремя шестиосными (323,6-3 = 970,8 кН, или 99 тс), при этом в первом случае «избыток» («запас») по силе тяги составит 7 %, во втором — 18 %.

Прогнозируемое АО «ИЭРТ» в 2030 г. вождение поездов массой 9000 т на Восточном полигоне можно будет осуществить восьмиосными трехсекционными локомотивами в голове поезда с применением существующей технологии подталкивания.

В будущем на предлагаемом перспективном грузовом тепловозе возможно применение разработанного АО «ХК Коломенский завод» по Федеральной целевой программе дизеля ДЗОО мощностью 3500 кВт, что приведет к увеличению его длительной скорости на расчетном подъеме с 21,5 до 23,5 км/ч [9].

Дополнительно при создании тяговых электродвигателей постоянного тока с длительной силой тяги 63,7 кН (6,5 тс), о чем уже ранее упоминалось в данной статье, возможна разработка восьмиосного грузового тепловоза с длительной силой тяги 509 кН (52 тс). Это позволит заменить двухсекционные локомотивы ТЭ10 всех индексов, а в двухсекционном варианте — трехсекционные ТЭ10 всех индексов. Использование подобных тепловозов в качестве толкачей решит задачу преодоления «узких» мест БАМа.

Переход на шестиосную осевую формулу возможен в случае реализации на таком локомотиве силы тяги не менее 431 кН (44 тс). При этом расчетный коэффициент тяги составит 0,293. Однако многолетний опыт использования на БАМе тепловозов 2ТЭ25А [осевая формула 2-(30—30)] с асинхронным тяговым приводом не подтвердил возможности реализации коэффициента тяги 0,29, заложенного в техническом задании на этот локомотив во всех эксплуатационных условиях данной магистрали при расчетной скорости 18,5 км/ч.

Заключение

Исходя из вышеизложенного, наиболее оптимальным вариантом является применение восьмиосных двухсекционных тепловозов. Предлагаемый локомотив с нагрузкой от колесной пары на рельс 25 тс и длительной силой тяги 44 — 52 тс с учетом существующей инфраструктуры железных дорог России уже сегодня является достаточным в части тяговых свойств и экономической выгоды для обеспечения вождения поездов массой 7100 т. Кроме того, он может стать платформой новых дизельных локомотивов, предназначенных для вождения тяжеловесных грузовых поездов массой 9000-18000 т на неэлектрифицированных участках дорог страны.

В перспективе до 2030 г. при условии обновления инфраструктуры и снятия ограничения 63,7 кН (6,5 тс) по допустимой нагрузке от одной тяговой оси локомотива для вождения поездов массой более 9000 т на предлагаемой восьмиосной платформе появится возможность повысить силу тяги тепловозов благодаря увеличению осевой нагрузки и применению более мощного привода. Это позволит получить экономический эффект от сокращения локомотивного парка.

Также для обеспечения тяжеловесного движения с поездами массой более 9000 т необходимо будет решить вопросы дистанционного автоматического беспроводного управления из одной кабины машиниста несколькими (от 3-х до 6-ти) секциями (сплотками), определенным образом расставленными по длине грузового состава. Одновременно эти тепловозы обеспечат замену вырабатывающих ресурс двух- и трехсекционных тепловозов типа ТЭ10 всех индексов.

Создание такого локомотива даст возможность наращивать тяговые потребности в зависимости от грузопотока, обеспечивать высо

кую эксплуатационную надежность, экономичность с минимальной стоимостью жизненного цикла и снизить количество участков подталкивания на полигонах эксплуатации.

Комплектация локомотивов продукцией отечественных производителей обеспечит унификацию оборудования, которое применяется на выпускаемых и эксплуатируемых грузовых тепловозах.

Библиография

1. Стратегия развития холдинга «РЖД» на период до 2030 года.

2. Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» на период до 2020 года и на перспективу до 2030 года. Утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 14.12.2016 № 2537р.-76 с.

3. Журнал «Локомотив» 2018. № 3. — с. 2 - 3. Статья по материалам ПКБ ЦТ ОАО «РЖД»: «Как нарастить объемы тяжеловесного движения».

4. Протокол заседания секции «Локомотивное хозяйство» Научно-технического совета ОАО «РЖД»№34 от 09.12.2016г.

5. СТО «РЖД» 1.07.002—2010 «Инфраструктура железнодорожного транспорта на участках обращения грузовых поездов повышенного веса и длины. Технические требования».

6. Правила тяговых расчетов. Утверждены распоряжением ОАО «РЖД» от 12.05.2016 № 867р. — 514с.

7. Справочный материал. Основные технические параметры и характеристики локомотивов. [Электронный ресурс] // Url: http://10.200.1.93:8090/loco/. (дата публикации 30.09.2016).

8. Журнал «Локомотив» 2017. № 4. — с. 42- 43, А.0. Захаров, А.С. Кулабухов, В.С. Руднев и И.Н. Куделькин: «Перспективный тепловоз для БАМА».

9. Статья «Коломенский завод принял участие в международном железнодорожном салоне "ЭКСПО 1520"» [Электронный ресурс] http://www.kolomnadiesel.com/news/detail.php?ID=1077/ (дата публикации 04.09.2017).