Российскому дизель-поезду - быть

[Admin]

Российскому дизель-поезду - быть

Безусловно, парк поездов для перевозки пассажиров в пригородном и местном сообщениях на не-электрифицированных линиях нуждается в срочном обновлении и пополнении современными моделями. Но какими им быть — создавать на базе моторвагонной тяги (МТ) или локомотивной (ЛТ)? Какие технические решения необходимо сохранить, а какие заменить новыми, улучшающими те или иные эксплуатационные и потребительские качества?

Для начала следует, на мой взгляд, обсудить основополагающие вопросы, имеющие отношение к проектированию российского дизель-поезда. Поделюсь своими размышлениями, которые сопровожу примерами того, что при более углубленном рассмотрении отдельные технические решения оказываются не столь однозначными, какими они кажутся на первый взгляд.

Варианты компоновки тягового средства и размещения его в подвижном составе. В самом общем виде компоновка может представлять собой:

- моторный вагон, содержащий размещенную в кузове или под ним силовую установку (дизель, передачу, обслуживающие их системы, вспомогательные агрегаты), движущие колесные пары, емкости с запасами расходуемых материалов и пассажирский салон;

- сцеп, одна иэ единиц которого имеет пассажирский салон и движущие колесные пары, а другая — также пассажирский салон и смонтированные в кузове или под ним силовую установку, емкости с запасами расходуемых материалов;

- локомотив с силовой установкой, движущими колесными парами, емкостями для расходуемых материалов.

Каждый иэ этих вариантов в том или ином сочетании обладает как преимуществами, так и недостатками. Компоновка в виде моторного вагона с внутрикузовным расположением силовой установки — классическая, используемая практически на всех моделях поездов МТ, которые эксплуатируются на сети российских дорог.

Отметим преимущества такой компоновки, имеющие отношение к силовой установке. Прежде всего, она надежно защищена от внешнего механического воздействия. В осенне-зимний сезон продолжительное время сохраняет тепло без применения устройств подогрева.

При необходимости предоставляется возможность непосредственно контролировать работу узлов. Облегчается доступ для устранения мелких неисправностей и проведения технических обслуживаний. В то же время, размещение силового оборудования в моторном вагоне вызывает меньшую на 40 — 50 % пассажировместимость по сравнению с прицепным одинаковой длины, повышенные шумовое и вибрационное воздействия на пассажиров, низкую пожаробезопасность.

Компоновку в виде моторного вагона с подкузовным расположением силовой установки для поездов МТ широко используют за рубежом. Такой особенностью отличался и опытный диэель-поезд ДР2 Рижского вагоностроительного завода, к сожалению, не доведенный до серийного производства. За счет подкузовного монтажа дизеля, передачи и другого оборудования увеличивается пассажировместимость.

Так, при одинаковой длине моторного вагона дизель-поездов ДР1 и ДР2 количество мест для сидения в первом равно 68, а во втором — 104, т.е. в 1,5 раза больше. Однако не устраняются полностью недостатки классической компоновки, имеющие отношение к комфорту и безопасности пассажиров. Кроме того, становятся невозможными или труднодоступными непосредственный контроль работы и техническое обслуживание силовой установки.

Компоновка же в виде сцепа двух единиц сохраняет преимущества и недостатки моторного вагона. Дополнительно возникают еще две проблемы. Во-первых, сцеп невозможно развернуть на поворотном круге или треугольнике без отделения единиц и участия маневрового тепловоза. Во-вторых, для подобного тягового средства непригодны другие типы передач, кроме электрической.

Компоновка тягового оборудования в виде локомотива, на первый взгляд, противоречит давно известному тезису, в соответствии с которым масса этой единицы в малосоставном поезде вызывает дополнительные энергозатраты на тягу.

Но не будем спешить с выводами, а выполним простой анализ. Из общей массы существующих поездов МТ выделим часть, которую назовем условным тепловозом. В него включим кабины управления, дизели и их системы, запасы топлива, воды и масла, передачи и вспомогательные агрегаты, тележки с движущими колесными парами и др. По расчетам, массы таких условных тепловозов составляют 94 — 96 т (дизель-поезд Д1), 79 — 80 т (дизель-поезд ДР1) и 78 — 81 т (автомотриса АЧ2).

Наиболее близкий аналог дизель-поезда Д1 по мощности — тепловоз ТГ16 с гидропередачей (соответственно 1074 и 1206 кВт), масса которого 69,75 т. Мощностям дизель-поезда ДР1 и автомотрисы АЧ2 соответствует тепловоз ТГ102, также с гидропередачей (1470 кВт), массой 76,17 т. Из приведенных данных видно, что массы локомотивов-аналогов не больше, а меньше масс условных тепловозов, причем в одном случае весьма значительно.

Тепловозы ТГ16 и ТГ102 создавались для грузовых перевозок, поэтому при проектировании не ставили задачу уменьшать до минимума их массу. Но построить на базе этих прототипов максимально облегченные локомотивы для вождения пассажирских составов можно, если применить технические решения, реализованные на дизель-поездах Д1 и ДР1. В частности, расчеты показывают, что масса тепловоза ТГ16 может уменьшиться на 5,8 т, если его тележки, гидропередачу и нижние карданные валы заменить на аналогичные узлам дизель-поезда ДР1. При замене осевых редукторов редукторами дизель-поезда Д1 масса тепловоза станет еще на 1,8 т меньше.

Благодаря использованию тележек и гидропередач, подобным на дизель-поезде ДР1, масса тепловоза ТГ102 может снизиться на 8,2 т. Применив несущую конструкцию кузова и главную раму с такой, как и на дизель-поезде ДР1 погонной массой, локомотив станет легче на 5,4 т, а осевые редукторы дизель-поезда Д1 облегчат его еще на 1,8 т. Таким образом, сосредоточив силовую установку в облегченном тяговом средстве, можно создать тепловоз мощностью 1206 — 1470 кВт, массой не более 60 — 62 т.

Теперь сопоставим такой тепловоз с пятью прицепными вагонами и шестивагонный диэель-поезд ДР1 по трем показателям: массе тары, пассажировместимости (количеству мест для сидения) и удельной массе. Заметим, что удельная масса — один иэ важнейших технико-экономических показателей, ибо она характеризует сравнительные затраты энергии на перевозку пассажиров. В дизель-поезде ДР1 массы моторного и прицепного вагонов соответственно равны 53,5 и 34,5 т а пассажировместимости — 68 и 124 места.

Допустим что прицепные вагоны в поезде ЛТ такие же, как и в дизель-поезде ДР1. Чтобы избежать обгонов тепловоза в пунктах оборота, в концевом вагоне должна быть кабина машиниста с пультом управления. Это утяжеляет вагон примерно на 2,6 т и уменьшает его пассажировместимость на 20 мест.

Из приведенных данных следует, что сопоставляемые показатели соответственно равны в дизель-поезде ДР1 — 245 т 632 места и 0,388 т/место, в поезде ЛТ — 236 т, 600 мест и 0,393 т/место Таким образом, между шестивагонным поездом МТ и поездом ЛТ с составом из пяти вагонов ни по одному из сравниваемых показателей нет существенного различия Дополнительно отметим, что при уменьшении массы тары прицепных вагонов, а это вполне достижимо, преимущества поездов ЛТ станут бесспорными. Однако вне зависимости от количества прицепных вагонов поезда ЛТ, по сравнению с поездами МТ, могут быть предпочтительнее по целому ряду причин.

Прежде всего, во всех вагонах выравниваются показатели пожарной безопасности, а также шумового и вибрационного воздействия. На тепловозе может быть предусмотрено помещение для провоза багажа и мелких партий грузов, оборудованное погрузочно-разгрузочным устройством. Есть и другие достоинства локомотивной тяги.

Как известно, продолжительность безремонтных пробегов определяется техническим состоянием тяговых средств. Однако поезда МТ отстраняются от работы целиком, в поездах же ЛТ можно отправлять в ремонт только тепловоз. При этом, в отличие от поездов МТ, замене подлежат не две единицы, а только одна.

Вариантов размещения тягового средства в поезде только два — по концам состава или в середине. В первом случае дизельную единицу необходимо оборудовать кабинами управления, во втором кабинами должны быть снабжены концевые прицепные вагоны. Расположение тягового средства по концам состава — это классическая схема формирования поездов, которую применяют на всех моделях эксплуатируемых поездов МТ и ЛТ. Ее основное преимущество — возможность быстрой реакции локомотивной бригады на отклонения в работе силовой установки от штатных режимов.

Правда, польза от этого может быть только при компоновке по вариантам с кузовным монтажом силового оборудования Недостаток состоит в том, что поездная бригада оказывается в зоне ее шумового и вибрационного воздействий

Тяговое средство в середине поезда исключает эту негативную сторону. Но в случае кузовного расположения силовой установки пассажиры лишаются возможности сквозного прохода по всей длине состава. Если же тяговое средство — локомотив, то может возникнуть проблема удлинения посадочных платформ.

Подведу итог краткого анализа вариантов компоновки и размещения тягового средства в поезде При проектировании дизель-поезда должны быть учтены в разумном сочетании, как инженерные расчеты, так и интересы пассажиров перевозчиков мелких партий грузов, машинистов и ремонтников

Какую передачу применять — гидравлическую или электрическую? В период массового перевода отечественных железных дорог с паровой тяги на тепловозную многие железнодорожники и машиностроители рассматривали гидравлическую передачу как серьезный конкурент электропередаче (в то время — постоянного тока) Несмотря на то, что максимальный к.п.д. электропередачи (84 — 88 %) выше гидропередачи (78 — 80 %), определяющее преимущество последней — значительно меньшая масса. Например если бы на тепловозе М62 существующая электропередача постоянного тока была заменена гидропередачей, применяемой на дизель-поезде ДР1 или автомотрисе АЧ2, то он стал бы легче, как минимум, на 20 т.

Известно, что один из основных показателей магистральных грузовых локомотивов — сила тяги по сцеплению. Нужный уровень этой силы, в первую очередь, обеспечивается массой локомотива, поэтому ее уменьшение за счет облегчения передачи было бы не совсем верным решением. В связи с этим, применительно к мощным тепловозам преимущество гидропередачи по массе обернулось ее недостатком, и в соревновании двух типов передач выиграла электрическая.

Масса тары поездов для пригородного и местного сообщений, наоборот, должна быть как можно меньше. Поэтому в моторных вагонах существующих поездов МТ в том или ином виде применяется гидропередача. Однако после появления на железнодорожном транспорте электропередачи переменного тока, значительно более легкой, но не менее экономичной, чем передача постоянного тока, появились сомнения относительно дальнейшего применения гидропередачи на таких поездах. Одна иэ причин — ее якобы более низкий к.п.д. Чтобы разобраться в справедливости этой оценки, обратимся к анализу энергобаланса тяговых средств мощностью примерно 1500 кВт с электро- и гидропередачей, выделив главные составляющие энергозатрат.

К числу потерь в передаче следует отнести энергозатраты, обеспечивающие привод устройств, охлаждающих ее агрегаты. В тепловозах 2ТЭ10(Л, М, В), 2ТЭ116, ТЭП70 мощностью 2205 — 2941 кВт с электропередачей удельный расход мощности на эти нужды в режиме длительной тяги составляет в среднем 0,28 кВт/кВт. В диэель-поеэ-де ДР1 и автомотрисе АЧ2 с силовыми установками мощностью 735 кВт удельный расход мощности на охлаждение равен 0,1 кВт/кВт в режиме работы гидропередачи с входной мощностью 650 кВт и к.п.д. 80 % (соответствует потере мощности 130 кВт). Для отвода таких теплопотерь при использовании электропередачи даже с к.п.д. около 85 % потребуются энергозатраты, большие примерно на 30 кВт. Этот результат можно интерпретировать как уменьшение ее к.п.д. примерно на 4 %.

Сравнительный анализ показывает, что в тяговых средствах поездов МТ мощностью 2x735 кВт комплекс агрегатов, составляющих электропередачу переменного тока, тяжелее на 2 — 4 т комплекса агрегатов гидропередачи. Затраты мощности, необходимые для перемещения избыточной массы электропередачи, составляют в среднем 18 кВт, что эквивалентно уменьшению к.п.д. электропередачи на 3 %.

Для обогрева салонов шестивагонного поезда потребуются устройства мощностью 200 — 250 кВт, что соответствует 14 — 17 % максимальной мощности дизелей. Поэтому для этих целей давно используются тепловые потери в дизелях и передачах. Расчеты показывают, что в дизель-поездах Д1, ДР1 и Д2 вторичные энергоресурсы, образующиеся при работе силовых установок, необходимую потребность в тепле обеспечивают лишь на 55 — 60 %. За счет использования тепловых потерь в гидропередаче потенциал вторичных энергоресурсов увеличивается до 68 — 75 %, а при наличии гидротормоза — до 100 %.

В поездах, для тяги которых используется электропередача, тепловые потери в дизеле остаются основным источником тепла при отоплении салонов. Они могут быть легко утилизированы на основе известных технических решений. Значительно сложнее использовать вторичные энергоресурсы, образующиеся в тяговом генераторе и тяговых двигателях, а также в электродинамическом тормозе. Воздух, охлаждающий тяговые электрические машины, по санитарно-гигиеническим причинам нельзя направлять в салоны. Воздухо-воздушные теплообменные аппараты, которые могли бы нагревать воздух, подаваемый в салоны, невозможно по габаритным размерам разместить на тяговом средстве. Воздухо-жидкостные аппараты пожароопасны.

Таким образом, использование электропередачи предопределяет необходимость установки на тяговом средстве отопительного генератора. Об экономических последствиях такого технического решения можно судить по результатам анализа, в котором из общего расхода топлива дизель-поездом Д1 и автомотрисой АЧ2 были выделены составляющие, затрачиваемые на отопление. В дизель-поезде салоны во всех вагонах обогреваются утилизированным теплом, в автомотрисе — только салоны моторных. В годовом исчислении «цена» электрообогрева — 5 — 6 % дополнительного расхода топлива.

Еще одна составляющая энергозатрат связана с восполнением энергопотерь в приводе колесных пар. Тяговые средства с электропередачей оборудуются индивидуальным приводом, а с гидропередачей — групповым. Последний, как известно, вызывает большее скольжение колес относительно рельсов, что и увеличивает расход энергии.

Результаты испытаний дизель-поезда ДР1 и электропоезда ЭР2 показали, что различие между обоими типами передач в этой составляющей энергозатрат может рассматриваться как преимущество электропередачи перед гидропередачей по к.п.д. примерно на 3,4 %. Однако, суммируя все энергозатраты на функционирование обслуживающих систем, можно сделать вывод: гидравлическая и электрическая передачи в условиях применения на тяговых средствах поездов МТ и ЛТ вполне конкурентоспособны.

Как ускорить и удешевить постройку дизель-поезда? Существует мнение, что создавать новый дизель-поезд совсем не обязательно с «нуля». Достаточно в одном или двух вагонах электропоездов, уже находящихся в серийном производстве, расположить силовую установку в вариантах компоновки «моторный вагон» или «сцеп», оставив без изменений вагоны других типов. Такая унификация якобы ускорит выпуск нового дизель-поезда, удешевит его производство, снизит расходы на техническое обслуживание и ремонт, принесет другие экономические выгоды.

Но есть ли гарантия того, что все декларируемые преимущества после реализации останутся таковыми, а не превратятся в свои противоположности? Поиск ответа на этот вопрос начнем с выяснения, каким будет, хотя бы приблизительно, объем переделок вагонов электропоезда.

Прежде всего, разработчикам проекта придется выяснить, обладают ли несущие элементы кузова и рамы того вагона, который будет перепроектирован в моторный для будущего дизель-поезда, достаточной несущей способностью, обеспечивающей восприятие сил тяжести дизельной силовой установки, включая топливный бак? Даже при запасе прочности переделок кузова не избежать. Наиболее существенными они будут при внутрику-зовном расположении силовой установки.

Но и при подкузовном работы не ограничатся приваркой к раме кузова кронштейнов для крепления агрегатов силовой установки. Потребуется через внутрикузовное пространство пропускать всасывающий и выхлопной трубопроводы, а в настиле пола пассажирского салона вырезать люки, чтобы обеспечить доступ к агрегатам силовой установки для их осмотра и обслуживания.

Не обойтись и без перепроектирования рессорного подвешивания тех вагонов, в которых будет располагаться силовая установка. Проблема в том, что в вагонах электропоездов центры масс кузовов совместно с расположенным в них или под ними оборудованием равноудалены в продольном направлении от шкворней тележек Благодаря этому обеспечивается равная нагружен-ность обеих тележек и, как следствие, полная одинаковость их конструкции.

В дизель-поездах же асимметрия нагружения силами тяжести тележек моторных вагонов с подкузовным, а тем более с кузовным расположением силовой установки предопределена условиями компоновки оборудования. Поэтому на тележках того исходного вагона, который будет переоборудован в моторный для дизель-поезда, должны быть заменены другими, как минимум, пружины и гасители колебаний в обеих ступенях рессорного подвешивания. Если в одном депо имеются электро- и дизель-поезда, то расширение номенклатуры этих элементов может создать путаницу при проведении ремонтных работ, связанных с разборкой тележек.

Еще более капитальные переделки в вагонах всех наименований потребуются для перевода их на обогрев утилизированным теплом. Можно, конечно, этого не делать, тогда на моторном вагоне перепроектированного дизель-поезда должны быть установлены отопительные генераторы. «Цена» электроотопления всего поезда составит уже не 5 — 6 %, как на автомотрисе АЧ2, а 6 — 7 %.

Но и это еще не все. Отбор мощности на привод отопительных генераторов уменьшает тяговую мощность дизелей, вследствие чего ухудшаются скоростные и, прежде всего, разгонные характеристики поезда. Для сохранения их на уровне дизель-поезда ДР1 придется увеличивать номинальную мощность дизелей со всеми вытекающими из этого последствиями для расхода топлива, массы силовой установки, размеров системы охлаждения.

Однако если допустить, что эти и многие другие обстоятельства являются несущественными, то возникает закономерный вопрос: а что же будет достигнуто в итоге? По энергозатратам дизель-поезд, перепроектированный из электропоезда, окажется менее экономичным, чем специально спроектированный. Это следует из сравнения по удельной массе уже упоминавшегося дизель-поезда ДР1 в составе двух моторных и четырех прицепных вагонов с исходным поездом, включающим по два головных, моторных и прицепных вагона электропоезда ЭР2. Массы тары этих вагонов соответственно равны 40,9, 54,6 и 38,3 т, а пассажировместимость — 88, 110 и 108, т.е. масса тары всего поезда равна 267,6 т, пассажировместимость — 612. Таким образом, удельная масса исходного поезда составляет 0,437 т/место, что на 11 % больше, чем в дизель-поезде ДР1.

Разумеется, на дизель-поезде, перепроектированном из электропоезда, окажутся ненужными динамотор, генератор тока управления, токоприемники и многие другие элементы исходной конструкции. Вместо них потребуется установить дизели, главные генераторы или гидропередачи, охлаждающие устройства силовых установок, топливный бак и др.

Но и без расчетов можно утверждать, что суммарная масса вновь установленных элементов многократно превысит суммарную массу снятых. В результате различие по этому важнейшему технико-экономическому показателю между специально спроектированным и перепроектированным из электропоезда дизельными составами не уменьшится, а еще более возрастет.

Грамотно и добротно изготовленный новый российский дизель-поезд мог бы стать предметом международной торговли. В дореформенный период продукция отечественных заводов поставлялась во многие страны, например, тепловозы — в Венгрию, Болгарию и Сирию, электровозы — в Финляндию, электропоезда — в Болгарию и др. Сегодня обеспечить себя автономным тяговым подвижным составом собственной постройки из стран СНГ способны только Украина, ближнего зарубежья — Латвия.

Россия же свой потенциал в этой отрасли машиностроения практически сохранила. Он может быть в значительной степени переориентирован на экспорт, но для этого надо предлагать другим государствам то, что их устроит. Подвижной состав в габарите Т будет непригоден для экспорта в страны дальнего зарубежья, прежде всего, развивающиеся.

Общий итог рассуждений сводится к следующему.

Создавать новый дизель-поезд, имеющий прогрессивные потребительские и эксплуатационные качества — сложная технико-экономическая задача, включающая научные исследования, проектно-конструкторские работы, технологическую, организационную, материальную и финансовую базу. Явного и быстрого решения быть не может. Но его надо, все-таки, искать, и оно должно быть таким, чтобы оставаться оптимальным в течение нескольких десятилетий.

Вероятность ошибки необходимо свести практически к нулю. В технико-экономическом обосновании на основе эксплуатационных данных должны быть выявлены и проанализированы все «плюсы» и «минусы» старых технических решений, спрогнозированы положительные и отрицательные последствия применения новых. К обсуждению хорошо бы привлечь широкую техническую общественность, прежде всего в лице тех, кому предстоит эксплуатировать новый дизель-поезд.

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin