Сегодня все отечественное локомотивостроение стоит на пороге перехода на новый технологический уровень, сравнимый с заменой паровоза на тепловоз. Это связано с расширением применения асинхронного тягового привода. В периметре группы ТМХ накоплен большой опыт разработки, производства и обслуживания подвижного состава с асинхронным тяговым приводом. Этот опыт позволяет делать далекоидущие выводы о мероприятиях, которые потребуются в масштабах отрасли, чтобы повсеместное использование асинхронного тягового привода стало реальностью.
От идеи до серийной продукции
Идею поставить на локомотив самую экономичную и надежную из электрических машин – асинхронный электродвигатель – более 90 лет назад выдвинул российский академик Михаил Костенко. От идеи до серийной продукции прошли десятилетия, поскольку для ее воплощения требовалось создание мощных полупроводниковых преобразователей и компьютерных систем. В то время как во всем мире тепловозы с асинхронными тяговыми электродвигателями получали широкое внедрение, в России продолжались дискуссии о целесообразности их разработки, а ограничивающие факторы носили экономический характер.
На рубеже XX-XXI веков вопрос старения локомотивного парка в России обострился настолько, что требовалась практически полная его замена на новый. Для обновления тепловозного парка железных дорог МПС РФ необходимы были локомотивы с высокой энергетической эффективностью, включая повышенные тяговые свойства и пониженные энергозатраты на вспомогательные нужды. Новые тепловозы должны были обладать высокими противобоксовочными и динамическими качествами, позволяющими максимально использовать сцепной вес для реализации силы тяги и обеспечить снижение воздействия на путь. Важными свойствами должны были стать их высокая ремонтопригодность, упрощение и удешевление выполнения ТО и ремонтов.
В целях быстрейшей ликвидации дефицита парка тягового подвижного состава современной конструкции с высокими технико-экономическими показателями, недопущения импортной зависимости, возрождения базы отечественного локомотивостроения в 2000 году началась работа по созданию первого отечественного серийного тепловоза с асинхронным тяговым приводом, применение которого в конструкции локомотива потребовало также разработки и внедрения инновационного вспомогательного оборудования.
Первый отечественный тепловоз с асинхронным тяговым приводом
Технический проект грузового магистрального тепловоза мощностью 2 500 кВт с электрической передачей переменного тока предложило АО «УК «БМЗ» (г. Брянск) на основании договора №32-00 от 31 мая 2000 г. «Магистральные тепловозы секционной Тепловоз 2ТЭ25А «Витязь» мощностью 2500-3500кВТ с электрической передачей переменно-переменного тока для работы в пассажирском и грузовом движении (грузовой тепловоз) между ОАО «БМЗ- Тепловоз» и МПС России. Разрабатываемому тепловозу был присвоен индекс 2ТЭ25А. Впоследствии он получил имя «Витязь».
Документация на комплект тягового и вспомогательного электрооборудования для унифицированного применения на магистральных грузовых и пассажирских тепловозах с электрической передачей переменного тока мощностью 2500...3500 кВт, который был взят за основу БМЗ при раз- работке технического проекта, была разработана в ГУП ВНИТИ МПС РФ. Там же была спроектирована трехосная тележка с радиальной установкой колесных пар с моторно- осевыми подшипниками качения и опорно-осевым маятниковым подвешиванием асинхронных тяговых двигателей, двухступенчатым рессорным подвешиванием типа «Флексикойл», догружателями на передних осях и одноповодковыми буксами. На основе расчетных исследований была подтверждена реализуемость заложенных параметров комплектующих изделий электрооборудования для проектируемого тепловоза, разработаны принципы построения электропередачи и их схемотехнические решения, включая взаимосвязи локальных и комплексной микропроцессорной системы управления.
В 2005 г. советом главных конструкторов ЗАО «Трансмашхолдинг» были утверждены решения по техническому облику тепловоза 2ТЭ25А с электрической передачей переменно-переменного тока, согласованные с ОАО «РЖД». В целях повышения технического уровня тепловоза 2ТЭ25А было подтверждено применение тягового привода с асинхронными тяговыми двигателями ДАТ-470, тягового агрегата на базе АСТГ2 2800/400, регулируемого асинхронного привода вспомогательных машин. Серийное производство российских асинхронных двигателей освоил завод «Электротяжмаш-Привод» в г. Лысьве.
Советом также было одобрено применение на тепловозе усовершенствованного дизель-генератора 21-26ДГ-01 с электронным впрыском топлива, микропроцессорной системы управления и диагностики, винтового тормозного компрессора повышенной производительности отечественного производства, тележек с радиальной установкой колесных пар (РУКП), моторно-осевыми подшипниками качения и одноповодковыми буксами, кран машиниста с дистанционным управлением.
Технические параметры тепловоза 2ТЭ25А соответствовали уровню параметров существующих зарубежных тепловозов данного класса и утвержденному типажу нового подвижного состава (Типы и основные параметры локомотивов. Распоряжение МПС России от 27.11.02 № 747).
Первый опытный тепловоз 2ТЭ25А «Витязь» был изготовлен Брянским машиностроительным заводом в июле 2006 года в соответствии с техническим заданием «Тепловозы магистральные ТЭ25, 2ТЭ25», утвержденным вице-президентом ОАО «РЖД» В.А. Гапановичем. В конце августа 2009 года тепловоз получил сертификат соответствия и продолжил опытную эксплуатацию на участке Брянск-Орел.
В то же время, в конце нулевых годов начали расти грузоперевозки на БАМе, где осваивались месторождения полезных ископаемых. Для транспортирования таких объемов груза требовался надежный и экономичный тяговый подвижной состав. Поэтому тепловоз ТЭ25А позиционировался как замена тепловоза ТЭ10М на сложных перевальных участках БАМа с поездами массой до 6 тыс. т на направлении Таксимо – Советская Гавань Дальневосточной ж. д. При практически одинаковой скорости движения тепловоз 2ТЭ25А имеет возможность вождения грузовых поездов весом 6000 т против 5600 т у тепловоза 3ТЭ10М.
По результатам испытаний на Восточном полигоне было установлено:
– тепловоз 2ТЭ25А реализует заявленные характеристики по расчетной скорости и тяговым свойствам. Критические подъемы при движении экспериментального поезда проследованы со скоростями, превышающими расчетное значение для 2ТЭ25А – 18 км/ч;
– при движении по лимитирующим подъемам перегрев оборудования отсутствовал. Максимальный нагрев тяговых двигателей составил 70 °С при допустимом значении для класса изоляции Н – 180 °С. При этом предельно допустимая рабочая температура смазки моторно-якорных подшипников тяговых двигателей составляет 120 °С;
– использование автоматической защиты с поосным регулированием силы тяги и догружателем предотвращает разносное боксование колесных пар. Максимальная разница скоростей колесных пар при плохих погодных условиях (снег, поземка) не превышала 12 км/ч;
– весовая норма на участке Комсомольск – Высокогорная на секцию тепловоза 2ТЭ25А составляет 1100 т, а при существующей норме на секцию тепловоза ЗТЭ10 – 600 т.
С января 2011 года по 2013 год все пер- вые 15 тепловозов 2ТЭ25А передавались в локомотивное депо Тында Дальневосточной железной дороги в Амурской области, где было решено организовать их эксплуатационную базу с целью испытаний асинхронного тягового привода в сложных условиях БАМа со значительными уклонами до 18‰ и постепенного замещения неэффективных тепловозов 3ТЭ10М, эксплуатирующихся в данном депо. Все тепловозы с номера 016 и выше поступали в депо Тында с завода.
В депо Тында тепловозы начали эксплуатационные испытания на наиболее напряженных участках тепловозного полигона Восточно-Сибирской и Дальневосточной железных дорог, в ходе которых показали значительно лучшие характеристики в сравнении с ТЭ10М, в том числе примерно на 15 % меньший расход топлива. В ходе испытаний тепловозы в трехсекционной компоновке провели поезд унифицированной массой 6 тысяч тонн, при этом на наиболее трудном Кузнецовском перевале, где масса составов была ограничена до 4500 тонн и требовалось три трехсекционных тепловоза 3ТЭ10М, два трехсекционных сцепа ТЭ25А провели состав весом 5050 тонн.
Эксплуатационные испытания 2ТЭ25А по оценке возможности движения поездов унифицированной массой 6000 т проводились в соответствии с поручением ОАО РЖД» от 03.03.2011 № ПВГ-77 (Фото 3 и Фото 4). В ходе испытаний опытным путем подтверждены заявленные характеристики тепловоза 2ТЭ25А по тяговым свойствам, расчетной скорости, нагреву оборудования и т.д. Максимальное значение силы тяги тепловоза 2ТЭ25А в трехсекционном исполнении зафиксировано 120 тс на лимитирующем участке Болен – Мони Дальневосточной дороги. Критические подъемы проследованы со скоростями, превышающими расчетное значение.
Результаты и достижения
В тепловозе 2ТЭ25А «Витязь» были использованы сотни технических новинок: первый в России дизель с электронной системой впрыска топлива, новая тележка, в моторном блоке подшипники скольжения заменены подшипниками качения, колесные пары закрепляются не жестко, а с некоторой степенью свободы, что дает возможность лучше проходить кривые. В конструкции тепловоза были реализованы следующие принципиальные решения:
– модульное исполнение основного комплектующего оборудования;
– конструктивное обеспечение возможностей дальнейшего совершенствования технико-экономических показателей тепловоза путем применения комплектующих узлов и агрегатов новых поколений по мере их разработки и освоения в производстве;
– реализация прогрессивных научно-технических разработок: электропередачи переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями, многофункциональной микропроцессорной системы управления, регулирования и диагностики, регулируемых электроприводов вспомогательного оборудования, усовершенствований экипажной части локомотива, включая радиальную установку колесных пар, применение колесно-моторных блоков с подшипниками качения и т.д.;
– реализация современных железнодорожных автоматизированных систем безопасности, контроля, связи и управления: тепловоз оборудуется системой безопасности КЛУБ-У (с № 003 – системой БЛОК) с регистрацией параметров движения; телемеханической системой контроля бодрствования машиниста (ТСКБМ); радиостанциями метрового и гектометрового диапазонов для поездной и маневровой работы; предусматривается возможность установки системы автоматического управления тормозами (САУТ);
– максимальное использование конструктивных и технологических возможностей снижения стоимости жизненного цикла локомотива;
– автоматизация управления тепловозом с целью максимального улучшения условий труда локомотивных бригад и обеспечения безопасности движения;
– обеспечение управления тепловозом локомотивной бригадой из двух человек и возможности управления одним машинистом.
Основным, принципиально новым на тот период времени узлом нового тепловоза стал тяговый статический преобразователь частоты и напряжения на IGBT- транзисторах для питания асинхронных тяговых электродвигателей, разработанный во ВНИТИ для магистральных тепловозов нового поколения. В ходе испытаний и последующей эксплуатации 2ТЭ25А «Витязь» продемонстрировал и подтвердил целый ряд преимуществ перед серийными машинами своего времени. Конструкция тепловоза 2ТЭ25А с электропереда чей переменного тока с асинхронными тяговыми двигателями позволила (в сравнении с тепловозами, выпускавшимися серийно на момент его создания):
– снизить удельное потребление дизельного топлива в среднем на 5-10% в зависимости от веса состава;
– повысить тяговые качества локомотива; – повысить участковую и техническую скорость движения состава на 6,6–17,6 %;
– снизить расход дизельного масла; – снизить интенсивность износа гребней колесных пар в 1,7 раза; – повысить надежность и снизить трудоемкость обслуживания и ремонта локо- мотивов за счет исключения контактной аппаратуры и коллекторов в тяговых двигателях и вспомогательных электрических машинах;
– обеспечить бесконтактную систему реверса и торможения;
– обеспечить эффективную защиту от боксования при эффективном регулировании сил сцепления практически на пределе по сцеплению, снизить расход песка;
– устойчиво реализовать режим электро- динамического торможения в широком диапазоне нагрузок и скоростей – от максимальной до практически полной остановки состава, за счет чего существенно снижается износ бандажей и тормозных колодок;
– уменьшить расход ряда дорогостоящих материалов (меди, изоляции) из-за применения простого тягового асинхронного двигателя и отсутствия коллектора;
– упростить силовую схему тепловоза;
– улучшить условия труда локомотивных и ремонтных бригад.
Вестник научно-технической революции
Первый серийный локомотив с асинхронным тяговым двигателем справедливо назвали вестником научно-технической революции на транспорте, поскольку его разработка и внедрение потребовали внедрения и постановки на производство сотен новых технических решений. Опыт производства, обслуживания и эксплуатации позволил расширить применение за пределы локомотивостроения. Вагоны метро и городской транспорт в серийном исполнении уже давно работают на асинхронном приводе.
Сейчас в периметре группы ТМХ ведутся проекты по разработке перспективного подвижного состава на базе тягового при- вода преимущественно с асинхронными двигателями. Линейка локомотивов различного типажа с таким электроприводом будет отличаться высокими технико-экономическими показателями за весь период жизненного цикла. Разрабатывается конструкторская документация магистрального грузового 12-осного двухсекционного электровоза переменного тока 2ЭС9. С учетом применения асинхронных тяговых двигателей данный локомотив не имеет аналогов по реализуемой силе тяги и мощности. 2ЭС9 обеспечит вождение поездов повышенной массы. В настоящее время это значение составляет 7100 т, причем в самых тяжелых климатических и рельефных условиях эксплуатации Восточного полигона железных дорог РФ.
В тепловозе 3ТЭ30 также будет применяться современный тяговый привод с асинхронными двигателями, что в симбиозе с новой экипажной частью – унифицированными трехосными тележками обеспечит высокие тяговые свойства. Стоит отметить, что тепловоз 3ТЭ30 способен работать в газодизельном режиме, в котором в качестве топлива используется природный газ с запальной порцией дизельного топлива. В конструкцию этих новых локомотивов заложены технические решения направленные на повышение качества и безопасности перевозок, оптимизированные алгоритмы управления обеспечат гибкость в управлении оборудованием, что даст возможность отключать часть оборудования локомотивов при работе с легкими составами и, соответственно, повысить эффективность перевозок за счет снижения расхода топливно-энергетических ресурсов.
Полный перевод всей перспективной техники на асинхронные двигатели не может быть одномоментным, он потребует расширения производственных мощностей и повышения технологического уровня производителей вспомогательного оборудования и комплектующих, в первую очередь, развития производства транзисторов IGBT. Потребуется повышение квалификации персонала, занятого на производствах и в депо. Но эта стратегическая цель оправдает затраченные средства, поскольку экономический эффект от повышения общего технологического уровня всей отрасли окупит эти затраты многократно.
Опубликовано в журнале "Техника железных дорог" №3 (67) август 2024