В предыдущей статье об электрических трансмиссиях я писал, что не очень понимаю, почему их используют на тепловозах и тяжёлых карьерных самосвалах, и обещал разобраться в этом вопросе. Однако оказалось, что большая часть аргументов за электрическую трансмиссию – это мифы, которые достаточно легко опровергается.
При этом её главный недостаток – пониженный коэффициент полезного действия – вполне реален. По самой оптимистичной оценке электрическая трансмиссия примерно на 8% менее эффективна, чем механическая. При этом фактически на тепловозах обычно используются не самые совершенные электрические машины, и общие потери могут достигать 20% от мощности двигателя внутреннего сгорания.
Давайте оценим ущерб от этих потерь. Рассмотрим магистральный тепловоз 2ТЭ25КМ, который состоит из двух секций, каждая из которых оснащена двигателем 16ЧН26/26 мощностью 2650 кВт (или 3604 лошадиных сил). Итого получаем 5300 кВт. Допустим, что в среднем двигатели загружены на 70%, то есть в общей сложности вырабатывают ≈3700 кВт.
Даже если предположить, что его трансмиссия сделана по последнему слову техники и избыточные потери составляют всего 8%, то в абсолютном выражении это почти 300 кВт! На каждый киловатт·час современный большой дизель расходует ≈170 г топлива, то есть потери в электрической трансмиссии тепловоза можно оценить в ≈50 кг топлива в час. С учётом плотности 0,85 кг/л и стоимости 80,03 руб/л получаем 4750 руб/ч.
Я не знаю, какой процент времени тепловоз занят делом (то есть тянет состав с грузом), но давайте примем значение в 70%. В этом случае мы получим, что за сутки теряется в среднем 80 тысяч рублей, а за год – 29 миллионов!
За весь срок службы локомотива (порядка 45 лет) набежит уже больше миллиарда (!) рублей чистых потерь в электрических агрегатах. И это, напомню, мы рассматривали лучший случай, принимая относительный КПД электрической трансмиссии равным 92%.
Так почему же несмотря на колоссальные убытки электрическую трансмиссию продолжают использовать в железнодорожном транспорте? Давайте вспомним все аргументы и отделим мифы от реальных причин.
Поехали!
Аргумент 1: механическая трансмиссия не обеспечивает тягу с места
Обычно разговор о том, почему на тепловозы ставят электротрансмиссии, начинают с того, что ДВС, в отличие от паровой машины, не может развивать крутящий момент при неподвижном выходном валу. Из-за этого он не может раскрутить даже самого себя, не говоря уже о том, чтобы сдвинуть с места тяжёлый состав. В тоже время электромотор в "стоповом" режиме развивает максимальную тягу, что для трогания очень кстати.
Какие есть альтернативы?
Классическое автомобильное решение – сцепление – не подходит, поскольку даже самый тяжёлый грузовик примерно в 100 раз легче поезда. Это значит, что пока локомотив разгонится до скорости, при которой сцепление окончательно замкнётся, оно скорее всего уже сгорит от длительного буксования с огромным крутящим моментом.
Конечно, теоретически можно решить проблему, просто увеличив передаточное число первой передачи, но есть и более разумный вариант – гидротрансформатор. Он не только не боится перегрева (при наличии радиатора), но и дополнительно повышает крутящий момент, а также обеспечивает плавность трогания не хуже электромотора. И надо сказать, что на тепловозах гидротрансформаторы тоже применяются, но, в основном, на маневровых с мощностью двигателя не более 1200 л.с.
И надо сказать, что вообще-то гидроагрегаты могут работать и с куда большими мощностями (скажем, турбины Саяно-Шушенской ГЭС выдают 640 МВт), поэтому причины, по которым гидромеханические передачи не используются на мощных тепловозах, следует искать в другом месте.
Аргумент 2: механическая трансмиссия не выдерживает огромный крутящий момент
Этот довод встречается чрезвычайно часто. Вот, например, цитата из статьи "Почему тепловоз устроен как электромобиль?":
Некоторых людей, в том числе технически подкованных – вплоть до профессоров – удивляет, что на мощных тепловозах применяется электрическая передача. Мол, двойное преобразование энергии – это неэффективно. А менять ломающиеся карданы эффективно?
Что-то подобное встречалось и в комментариях под моей предыдущей статьёй. Дескать, и шестерни не выдержат, и валы погнутся, а если и получится обеспечить достаточную прочность, то всё это будет иметь невообразимые размеры и массу.
И на мой взгляд это самый слабый аргумент. Начнём с того, что вообще-то тяговые электродвигатели тепловозов и электровозов соединяются с колёсами через... редуктор! Ту самую зубчатую передачу, которая якобы не может выдержать такие нагрузки.
Более того, механические передачи с валами и шестернями применяются даже судах с двигателями, мощность которых измеряется мегаваттами.
Даже если мы возьмём обычный магистральный грузовик КАМАЗ-54901 в максимальном исполнении, то увидим, что на его единственную ведущую ось приходится 560 л.с. мощности, в то время как на шесть осей секции тепловоза 2ТЭ25КМ приходятся 3604 л.с. мощности, то есть примерно по 600 л.с. на каждую. Не такая уж большая разница, согласитесь?
Мне могут справедливо возразить, что при похожей мощности у тепловоза больший крутящий момент, но... тоже нет! Максимальная сила тяги одной секции того же 2ТЭ25КМ – 419,4 кН, то есть 69,9 кН на ось, что при радиусе колеса 0,525 м даёт крутящий момент 36,7 кН·м. Максимальный крутящий момент камазовского двигателя – 2600 Н·м, что при наибольшем передаточном числе коробки передач 16,69 и передаточном числе главной пары 2,313 даёт аж 100,4 Н·м! Правда, из-за ограничения по сцеплению реализовать получится только около 40 кН·м – но даже это больше, чем у тепловоза.
Впрочем, не поймите меня неправильно. Я не утверждаю, что трансмиссия тепловоза нагружена меньше, чем трансмиссия автомобиля, ведь важна не столько пиковая нагрузка, сколько длительная. И, конечно, обычные автомобильные агрегаты таких нагрузок не выдержат. Но факт в том, механическая трансмиссия такой мощности не является чем-то невообразимым.
Аргумент 3: механическая трансмиссия для большого числа осей слишком сложна
Итак, мы выяснили, что валы и шестерни вполне способны справляться с тепловозными крутящими моментами, но ведь у каждой секции тепловоза по шесть осей, а то и больше! Сложно даже представить, как при помощи карданных валов равномерно распределить по ним крутящий момент.
И действительно, сделать такую трансмиссию не так просто. Но вполне возможно! Возьмём, например, восьмиосное шасси МЗКТ-79221. У него восемь мостов, семь раздаточных коробок и восемнадцать карданных валов.
То есть, на автомобилях такие трансмиссии делают. И это при том, что там между мостами обязательно нужно ставить межосевые дифференциалы (отсюда и такое количество раздаточных коробок). В поездах же, наверное, можно было бы обойтись и без них. По крайней мере, на паровозах колёса жёстко соединяли общим дышлом и ничуть не переживали по этому поводу.
Аргумент 4: механической трансмиссии не всё равно, в какую сторону ехать
Одно из различий между автомобилем и локомотивом заключается в том, что последний не так-то просто развернуть, поэтому обычно тепловозы делают симметричными – так, чтобы они могли одинаково ехать и вперёд, и назад.
Для электропривода это не проблема, а вот классическая автомобильная трансмиссия такой режим не поддерживает, ведь передач заднего хода в ней, как правило, меньше, чем переднего.
Впрочем, и эту проблему можно решить использованием реверс-редуктора.
Аргумент 5: в механической трансмиссии должно быть слишком много передач
Как я уже писал, поезд очень тяжёлый. Это значит, что локомотиву очень желательно всегда использовать 100% мощности двигателя. Для этого он должен всегда работать на номинальной частоте вращения, поэтому тепловозу хорошо бы иметь бесступенчатую передачу. И с этой точки зрения электрическая трансмиссия подходит очень хорошо.
В механической ступенчатой трансмиссии отклонения от номинального режима неизбежны, поэтому для того, чтобы двигатель не очень сильно отклонялся от точки максимальной мощности, придётся делать очень большое количество передач. Я не берусь давать оценку, так как у меня под рукой нет внешней скоростной характеристики тепловозного дизеля, но люди пишут о 50-60 передачах.
Лично мне кажется, что это перебор, ведь в такой трансмиссии обязательно должен быть гидротрансформатор, благодаря которому можно не переживать о скоростном диапазоне, а силовой диапазон уменьшить по меньшей мере в полтора раза. В общем, я думаю, что достаточно будет, чтобы передаточные числа низшей и высшей передач отличались примерно в 6 раз. Если мы допустим 10-процентное отклонение от номинальной частоты вращения, то достаточно будет 19 передач. Это, конечно, много, но бывает и больше. Например, у трактора Ensign YX2604-M по 32 передачи вперёд и назад.
Аргумент 6: в механической трансмиссии передачи будут переключаться с рывками
Бесступенчатость электрической передачи позволяет ей обеспечивать непревзойдённую плавность хода. Ступенчатая механическая передача эти похвастаться не может, поэтому существует мнение, что скачки тяги при переключениях могут привести к неприятным последствиям вплоть до разрыва состава. Причём эти опасения родились не на пустом месте: именно так и происходило с ЭМХ3 – одним из немногих построенных тепловозов с механической передачей. Вот только надо понимать, что построен он был 1924-1926 годах и оснащался трёхступенчатой коробкой передач с обычным фрикционным сцеплением. Удивительно, что он вообще ездил.
Надо ли говорить, что при наличии 20-ступенчатой коробки передач с гидротрансформатором современная автоматика без проблем обеспечит плавное переключение?
Аргумент 7: механическая трансмиссия получится слишком дорогой и тяжёлой
Хорошо – скажете вы – по отдельности, может быть, все вышеперечисленные проблемы решаемы. Но ведь гидротрансформатор, реверс-редуктор, многоступенчатая коробка передач и уйма карданных валов огромного размера в сумме наверняка будут будут весить чуть ли не больше, чем сам локомотив. А о стоимости всех этих агрегатов и подумать страшно.
Но тут тоже всё не так однозначно. Во-первых, я очень сомневаюсь, что при всей своей сложности механическая трансмиссия получится тяжелее электрической. Я уже писал, что один высокооборотистый электродвигатель весит примерно в два раза больше, чем пятиступенчатая механическая коробка передач той же мощности. С учётом масс редуктора, инвертора, генератора и системы охлаждения можно ожидать, что электротрансмиссия в целом окажется тяжелее раз в пять. Значит, чтобы механическая трансмиссия догнала по массе электрическую, её нужно пятикратно усложнить. Таким образом, все эти дополнительные передачи, раздаточные коробки и карданные валы в худшем случае приведут к тому, что массы механической и электрической трансмиссий сравняются.
Чтобы вы лучше понимали, насколько электропривод тяжёлый, процитирую статью с железнодорожного форума:
Чтобы представить себе размеры [электрооборудования тепловоза], достаточно заметить, что у большинства тепловозов оно заполняет примерно четвертую часть локомотива, а масса его составляет одну треть массы тепловоза. Например, общая масса электрической передачи двухсекционного тепловоза 2ТЭ10Л достигает 84 т.
Впрочем, надо оговориться, что большая масса для локомотива это не проблема, а скорее даже необходимость, ведь для того, чтобы тащить за собой тысячи тонн груза, нужно самому иметь достаточно большой сцепной вес.
Со стоимостью примерно та же ситуация, но есть важный нюанс: чтобы механическая трансмиссия реализовала своё ценовое преимущество, она должна выпускаться серийно. Учитывая же, что фактически трансмиссий такого размера (почти) никто не делает, изготовление опытного образца тепловоза с механической трансмиссией обойдётся гораздо дороже, чем производство аналога с хорошо освоенной электротрансмиссией.
Аргумент 8: механическую трансмиссию сложно обслуживать и ремонтировать
В заключение хочется привести, пожалуй, самый сильный аргумент в пользу электрических трансмиссий на тепловозах. Ремонт и обслуживание электрических агрегатов давно освоены, локомотивные депо оснащены всем необходимым оборудованием, а рабочие чётко понимают, что и как нужно делать. Да и в целом электротрансмиссию легко разделить на отдельные модули, каждый из которых можно снять и увезти на отдельный пост для обслуживания и ремонта. Дополнительным бонусом служит и достаточно сильная унификация с электровозами.
Захотят ли железнодорожники отказываться от привычной техники, которая проверена десятками лет и миллионами километров? Им ведь главное, чтобы машина была надёжной и не создавала лишних проблем. А то что у неё расход топлива чуть больше – так это разве проблема для монополиста?
Заключение
Вывод у меня полностью подтверждает предположение, высказанное в предыдущей статье: инженеры просто идёт по пути наименьшего сопротивления. Электротрансмиссия изначально была самым простым вариантом, а теперь прижилась настолько, что никто уже и не думает искать ей замену. Переход на другой тип трансмиссии сегодня – это полная смена технологического уклада и астрономические инвестиции, на которые вряд ли кто-то решится. Зачем менять то, что и так работает? Тем более что мода на всё электрическое с каждым годом только укрепляется.
И тем не менее, я утверждаю, что мощный магистральный тепловоз с механической (а точнее гидромеханической) трансмиссией вполне возможен. И даже могу подтвердить свои слова реальным примером. В 2006 году компания Voith представила целую серию магистральных тепловозов с гидромеханической трансмиссией, самый мощный из которых – Voith Maxima 40 СС – оснащается двигателем на 4800 л.с., то есть превосходит по мощности одну секцию неоднократно упоминавшегося здесь тепловоза 2ТЭ25КМ.
На рисунке ниже можно увидеть схему его трансмиссии с теми самыми карданами, которые "не выдержат таких нагрузок" и редукторами "невообразимых размеров".
Вот только я сомневаюсь, что подобные локомотивы получат распространение по описанным выше причинам. Всё-таки железнодорожная отрасль слишком консервативна для таких радикальных перемен.
На этому у меня всё. Спасибо за внимание!