Admin

Отечественная силовая установка для рельсового автобуса

В.С. РУДНЕВ, канд. техн, наук, доцент, Российский университет транспорта (МИИТ)

Термин «рельсовый автобус» появился в нашей стране в начале 2000-х годов, когда на Мытищинском машиностроительном заводе (ныне АО «Метровагонмаш») было освоено производство нового вида дизельной тяги для пригородного сообщения железных дорог — рельсовых автобусов (назван в нашей стране по аналогии с европейским «railbus»). Данный подвижной состав может состоять из одного или нескольких вагонов, работающих на дизельных двигателях. Изначально завод выпускал одновагонные рельсовые автобусы серии РА1 (рис. 1) с двумя кабинами машиниста и конструкционной скоростью 100 км/ч, позднее освоил выпуск двух- и трехвагонных серий РА2 (рис. 2) и РАЗ (рис. 3), у которых кабина машиниста имеется только у головных вагонов, конструкционной скоростью 120 км/ч.


Рельсовые автобусы РАЗ с силовой установкой каждого моторного вагона мощностью 360 кВт стали выпускать на заводе АО «Метровагонмаш» с 2019 г. В зависимости от требований заказчиков автобусы данной серии могут выпускаться также в модельном исполнении от двух до трех вагонов (с возможностью работы нескольких рельсовых автобусов в одном составе по системе многих единиц). При трехвагонном исполнении (модель 753) два головных вагона автобуса РАЗ — моторные, промежуточный вагон — прицепной. Осевая формула такого рельсового автобуса имеет вид (20-2)+ (2-2) + (2-20).
Подвагонное размещение силовой установки на базе форсированного горизонтального дизеля и гидравлической передачи позволило, в отличие от классических моторных вагонов дизель-поездов, максимально эффективно использовать внутреннее пространство вагона автобуса для размещения пассажирского салона.
Необходимо отметить, что в настоящее время эксплуатационная длина неэлектрифицированных железных дорог России, на которых пригородные и местные пассажирские перевозки осуществляются дизельной тягой, составляет около 35 тыс. км при общей протяженности магистральных линий, обслуживаемых тепловозной тягой, 42,6 тыс. км.
Одной из приоритетных задач практически на всей сети железных дорог страны на сегодняшний день является организация пригородных и местных перевозок на неэлектрифицированных участках. Дело в том, что на железных дорогах Советского Союза почти все пригородные и местные перевозки на неэлектрифицированных участках осуществлялись с использованием дизель-поездов зарубежного производства, которые к началу XXI века практически все были выведены из эксплуатации и списаны.

В последние годы XX — начале XXI века пригородные и местные пассажирские перевозки на неэлектрифицированных участках России, в основном, обеспечивали более 400 секций грузовых и маневровых тепловозов и 1500 пассажирских вагонов, т.е. использовались пассажирские поезда с небольшим числом вагонов на тепловозной тяге. Как следствие, и без того планово-убыточное пригородное сообщение на дизельной тяге стало для железных дорог страны еще более нерентабельным из-за резкого увеличения эксплуатационных расходов на тягу поездов.


Рельсовые автобусы Мытищинского завода почти полностью заменили на неэлектрифицированных железных дорогах нашей страны устаревшие и малоэкономичные пассажирские пригородные поезда на тепловозной тяге и выработавшие свой срок службы дизель-поезда. Кроме того, рельсовые автобусы позволят в ближайшей перспективе восстановить пригородные перевозки на линиях, которые связывали отдаленные районы страны с областными и районными населенными пунктами, где пригородное и местное пассажирское сообщение было в 1990-е годы практически прекращено, прежде всего, по экономическим причинам.
Область применения рельсовых автобусов в России весьма широка. Данный подвижной состав может использоваться для:

• развозки рабочих и служащих к месту работы, а также их перемещения в пределах крупных промышленных предприятий, т.е. работа на промышленном транспорте;
• использования в качестве городского наземного транспорта в крупных городах.

Необходимо подчеркнуть, что все серии отечественных рельсовых автобусов Мытищинского завода оснащены импортными силовыми установками POWERPAK производства ФРГ, которые состоят из дизеля фирмы MTU 6H1800R83 (Германия) и гидродинамической передачей Т211 ге.4 фирмы Voith. Гидравлическая передача гидродинамического типа VoithT211 ге.4 расположена спереди от дизеля и соединена с ним через фланцевое соединение. Главный вал гидропередачи «Voith» состоит из гидротрансформатора, тяговой гидромуфты и гидравлического тормоза-замедлителя типа КВ190. На главном валу передачи также размещены шестерни и муфты переключения механической реверсивной передачи. Гидропередача имеет два контура циркулирования трансмиссионного масла в зависимости от скорости движения — через гидротрансформатор или тяговую гидромуфту и допускает работу в режимах гидродинамического торможения и реверсирования.
Оснащение рельсовых автобусов импортными силовыми установками было обусловлено отсутствием на то время (начало 2000-х годов) высокоэффективных отечественных дизелей с горизонтальным расположением блока цилиндров и, особенно, современных конструкций гидропередач для пригородного подвижного состава.
После начала Россией Специальной военной операции на Украине в феврале 2022 г. поставки из Германии силовых установок POWERPAK для рельсовых автобусов в нашу страну стали сильно затруднены и впоследствии полностью прекращены. Как следствие, завод АО «Метровагонмаш» в 2022 г. приостановил выпуск рельсовых автобусов РАЗ. Таким образом, создание рельсового автобуса мощностью 360 кВт с отечественной силовой установкой является более чем актуальной задачей не только для предприятия АО «Метровагонмаш», но и железнодорожного транспорта нашей страны в целом.

Следует также отметить, что создание рельсовых автобусов типа РАЗ с отечественной силовой установкой позволит восстановить выпуск новых рельсовых автобусов для российских железных дорог, повысить эффективность использования дизельной тяги в пригородном сообщении страны (прежде всего, благодаря снижению стоимости жизненного цикла этого типа подвижного состава), создать в нашей стране дополнительные рабочие места, решить актуальную проблему импортозамещения и многие другие проблемы.
В2005 г. машиностроительный завод «Звезда» (г. Санкт-Петербург) освоил выпуск новых шестицилиндровых дизелей с горизонтальным расположением блока цилиндров мощностью 350 кВт типа М721 (6ЧН18/20). Дизель М721 — четырехтактный шестицилиндровый водяного охлаждения, с газотурбинным наддувом воздуха. Эффективная мощность на номинальном режиме работы дизеля типа М721 по требованию заказчика может быть увеличена заводом до 400 кВт. Дизель выпускается левого вращения (направление вращения фланца отбора мощности, если смотреть на фланец, против часовой стрелки).
В 2006 г. дизель М721 -001 успешно прошел на заводе приемочные испытания и был рекомендован для применения на отечественных рельсовых автобусах.
Двигатель М721 соответствует современным требованиям, предъявляемым к дизельным двигателям силовых установок нового поколения: экономичный расход топлива, надежность, ремонтопригодность, тяговые качества, безопасность и экологические показатели, применение электронной системы регулирования частоты вращения и мощности дизеля, электронной системы регулирования подачи топлива и др. В таблице приведены основные технические характеристики дизеля М721-001.
Дизель М721 приспособлен для работы на отечественных рельсовых автобусах. Кроме того, у специалистов ОАО «РЖД» накоплен большой опыт работы с локомотивами, оборудованными отечественными дизелями, а близость производителя делает доступным и экономически эффективным их обслуживание и ремонт.
а кафедре «Электропоезда и локомотивы» Российского университета транспорта с участием студентов старших курсов специализации «Локомотивы» был разработан проект современной конструкции гидропередачи специально для пригородного подвижного состава, которая успешно может быть применена на рельсовых автобусах. Принимая во внимание современные мировые тенденции развития гидродинамических передач (ГДП) для пассажирского пригородного подвижного состава, для рельсового автобуса типа РАЗ была выбрана кинематическая схема ГДП (рис. 4) с общим турбинным валом, состоящая из двух гидроаппаратов (пусковой гидротрансформатор и тяговая гидромуфта). Достоинствами такой конструкции являются минимальные габариты и вес, что является определяющими условиями для горизонтального размещения силовой установки под полом моторного вагона рельсового автобуса.
В проектной гидропередаче (см. рис. 4) можно выделить следующие основные узлы: главный вал передачи, на котором размещены пусковой гидротрансформатор и тяговая гидромуфта; повышающий одноступенчатый редуктор, кинематически связывающий главный вал передачи и вал дизеля; реверсивное устройство (механический редуктор); тормозная гидромуфта. Механическая часть передачи (механическая трансмиссия) состоит, в основном, из одноступенчатых цилиндрических редукторов, валов с подшипниковыми узлами и муфт различного назначения.

Повышающий редуктор (зубчатые колеса Z, и Z2 на рис. 4) предназначен для уменьшения габаритных размеров кругов циркуляции и передачи в целом, а также для выбора экономичного режима совместной работы дизеля и передачи. Редуктор состоит из двух одноступенчатых цилиндрических зубчатых колес и имеет ориен
тировочное расчетное передаточное число 4,5. Такое передаточное число обеспечивает частоту вращения общего полого насосного вала и, соответственно, насосных колес Н гидротрансформатора ГДТ и тяговой гидромуфты на номинальном режиме работы дизеля М721 — 4000 об/мин. Определить окончательное передаточное число повышающего редуктора можно только после рационального совмещения внешних характеристик дизеля М721 и пускового гидротрансформатора.
Главный вал (см. рис. 4) проектной гидропередачи включает в себя пусковой гидротрансформатор ГДТ и тяговую гидромуфту ГМ с различными универсальными характеристиками. На пусковой ступени передачи применен одноступенчатый трехколесный гидротрансформатор ГДТ с расчетным передаточным числом i* = 0,5, на маршевой — двухколесная тяговая гидромуфта ГМ с тором. Как было отмечено выше, насосные колеса Н обоих гидроаппаратов жестко закреплены на полом насосном валу, который, в свою очередь, посредством пары зубчатых колес Z,, Z2 кинематически связан с валом дизеля. Другими словами, при работающем дизеле оба насосных колеса всегда вращаются, даже при стоянках подвижного состава.
Турбинные колеса Т обоих гидроаппаратов жестко закреплены на общем турбинном валу, который расположен внутри насосного вала. На правом конце общего турбинного вала размещена механическая кулачковая муфта, которая имеет шлицевое соединение с турбинным валом и может перемещаться, передавая в зависимости от направления движения автобуса вращающий момент (мощность) от турбинного вала шестерням Z3 или Z5 реверсивного устройства.
От общего турбинного вала передачи механическая энергия вращения передается через реверсивный редуктор, карданный вал и осевые редукторы к колесным парам двухосной активной тележки. Тем самым обеспечивается движение рельсового автобуса по рельсовой колее в заданном направлении. Вторая двухосная тележка моторного вагона автобуса называется пассивной, т.е. ее колесные пары не участвуют в создании касательной силы тяги.
Можно отметить: для того чтобы энергия (мощность) передавалась от вала дизеля автобуса к колесным парам, необходимо заполнить круг циркуляции одного из гидроаппаратов в зависимости от скорости движения. Выключение гидропередачи при движении автобуса в режиме холостого хода или на остановках осуществляется опорожнением круга циркуляции работающего гидроаппарата.
Реверсивное устройство (механический редуктор) предназначено для изменения направления движения рельсового автобуса. Это изменение возможно только после полной остановки локомотива. Передача энергии от общего турбинного вала к выходному валу передачи, который кинематически связан с колесными парами тележки рельсового автобуса, производится с помощью следующих зубчатых колес (см. рис. 4):
> движение «вперед»: муфта — Z3 — Z4;
> движение «назад»: муфта — Zs — Z6 — Z7 — Z4.
Тормозная гидромуфта предназначена для регулировочного гидроторможения и размещается на левой стороне общего турбинного вала. В тормозной гидромуфте два лопастных колеса. Одно (подвижное) колесо закреплено на общем турбинном валу, а второе (неподвижное) — в корпусе гидропередачи. При заполнении круга циркуляции тормозной гидромуфты на подвижном колесе создается тормозной момент, который позволяет машинисту регулировать скорость движения рельсового автобуса (например, на спусках) без применения колесно-колодочных пневматических тормозов.


Для предварительной оценки габаритных размеров проектной гидропередачи были определены основные параметры зубчатых колес повышающего редуктора, механической трансмиссии, а также размеры кругов циркуляции гидроаппаратов, тормозной гидромуфты и корпуса проектной гидропередачи. Проведенные расчеты показали, что основные габаритные размеры проектной гидропередачи (длина, ширина и высота) не превышают те же размеры гидропере-дачиТ211 ге.4фирмы Voith (1130x1095x675 мм).
При проектировании новой гидравлической передачи главной задачей был выбор оптимальных гидроаппаратов с заданными внешними характеристиками для экономичной совместной работы с дизелем локомотива. Как уже отмечалось ранее, главный вал проектируемой передачи включает в себя пусковой гидротрансформатор, обеспечивающий разгон рельсового автобуса до заданной скорости, и тяговую гидромуфту, обеспечивающую движение рельсового автобуса в диапазоне высоких скоростей с более высоким КПД.
Пусковой гидротрансформатор является основным узлом гидравлической передачи, от характеристик которого зависят скорость разгона и экономичность работы рельсового автобуса в целом. Проведенные ранее автором исследования [1,2] показали, что оптимальным вариантом для гидропередачи с общим турбинным валом рельсового автобуса является одноступенчатый трехколесный пусковой гидротрансформатор с центробежной турбиной и оптимальным передаточным отношением 0,5.
Опыт эксплуатации тепловозов серии ТГМ23ВЭ с гидропередачами типа ГП400/20-2 и ТГМ23В с двухступенчатым гидротрансформатором Т522 на пусковой ступени, а также теоретические исследования [1] показали, что двухступенчатые пусковые гидротрансформаторы типа Т522 несколько уступают по экономичности одноступенчатым типа ТП500М или ТП1000М, которые широко применяли на пусковой ступени гидропередач промышленных тепловозов.

При проектировании и расчете одноступенчатого гидротрансформатора их оптимальные параметры на расчетном режиме целесообразнее определять из условия получения максимального КПД. Наибольшее значение КПД одноступенчатого гидротрансформатора может быть получено при таких его параметрах, которые обеспечивают наименьшие значения потерь напора на трение при движении жидкости в каналах рабочих колес. Именно потери на трение являются основными на расчетном режиме работы гидротрансформатора [1].
При исследовании одноступенчатого гидротрансформатора были приняты следующие допущения:
на расчетном режиме отсутствуют потери на удар при входе жидкости на все рабочие колеса, а имеют место только потери на трение;
процессы течения жидкости в лопаточных каналах условно сведены к течению потока в участке трубы, представляющей собой развертку межлопаточного канала;
меридиональная скорость считается постоянной по всей рабочей полости круга циркуляции;
коэффициент трения для всех рабочих колес берется осред-ненным.
Как известно, тяговые и экономические характеристики гидротрансформатора зависят в первую очередь от геометрических параметров лопастных колес и круга циркуляции гидротрансформатора, а также углов установки лопаток каждого лопастного колеса. Используя уравнение баланса напоров в круге циркуляции гидротрансформатора, была получена аналитическая зависимость, позволяющая оценивать влияние геометрических параметров лопастных колес и круга циркуляции гидротрансформатора, а также углов установки лопаток каждого лопастного колеса на величину гидравлических потерь. При помощи этого уравнения также были определены оптимальные параметры опытного пускового одноступенчатого гидротрансформатора с центробежной турбиной с оптимальным передаточным отношением 0,5, при которых достигается минимум гидравлических потерь, рассчитаны и построены внешняя универсальная и приведенная характеристики пускового гидротрансформатора.


Внешняя универсальная характеристика гидротрансформатора представляет собой графическую зависимость величин вращающих моментов на насосном Мн, турбинном Мт колесах и КПД q от частоты вращения турбинного вала пт при номинальном режиме работы дизеля пе ном (пн = const), т.е. на максимальной позиции рукоятки контроллера машиниста.
Расчет внешней универсальной характеристики пускового гидротрансформатора был выполнен с помощью следующих формул:
вращающий момент на насосном колесе:
Мн = Д3п3-10'3)уХ, Н-м; (1)
вращающий момент на турбинном колесе:
Мт = кМн,Н-м; (2)
частота вращения турбинного вала:
nT = i-nH, мин'1; (3)
коэффициент полезного действия:
Мт пт
П = М^‘ (4)
Для удобства дальнейших исследований внешняя характеристика пускового гидротрансформатора представлена в безразмерной форме (так называемая приведенная характеристика), с использованием следующих параметров пускового гидротрансформатора: коэффициент трансформации момента k = f(i), энергоемкость уХ = f(i) и КПД h = f(i). Расчетные универсальные приведенные характеристики пускового гидротрансформатора представлены на рис. 5.
Особо следует отметить, что из-за особенности размещения силовой установки рельсового автобуса под полом моторного вагона новая отечественная силовая установка должна быть выполнена единым модулем, который включает в себя дизель, гидропередачу с гидротормозом, электрический генератор и все вспомогательные системы.
В результате выполненного проекта можно сделать следующие выводы.

• Разработана кинематическая схема проектной отечественной гидропередачи для рельсового автобуса.
• Выбраны типы гидроаппаратов проектной гидропередачи: пусковой одноступенчатый гидротрансформатор с оптимальным передаточным отношением 0,5 и тяговая гидромуфта с тором.
• Определены геометрические размеры проектной гидропередачи рельсового автобуса.

Проектируемая новая отечественная силовая установка рельсового автобуса должна быть выполнена единым модулем, который включает в себя дизель, гидропередачу с гидротормозом, электрический генератор и все вспомогательные системы.

Библиография

1. Руднев В.С. Гидравлические передачи локомотивов : учебное пособие / МИИТ. М„ 1999.121 с.
2. Гидродинамические передачи / Б.А. Гавриленко, И.Ф. Семичастнов, Л.И. Рымаренко и др. М.: Машиностроение, 1980.224 с.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела xx3.

Перенес: Admin. Держитесь и всего вам доброго.