Типаж перспективных локомотивов для железных дорог России: классификация, технические параметры и инновационные разработки

В 2001-2002 годах был разработан типаж локомотивов — документ, определяющий типы, основные параметры и типоразмерный ряд тягового подвижного состава, предназначенного для эксплуатации на железных дорогах России в XXI веке. Данный типаж устанавливает ключевые технические показатели локомотивов, требования к оборудованию, системам обеспечения безопасности движения и жизнеобеспечения. Основополагающим принципом формирования типажа стала классификация локомотивов по роду службы при максимальной унификации оборудования для различных типов тягового подвижного состава.

Разработка типажа базировалась на достижениях научно-технического прогресса с учетом современных мировых тенденций в области электротехники, электроники, дизелестроения, транспортного и общего машиностроения. Особое внимание уделялось требованиям к характеристикам перспективных локомотивов, которые устанавливались исходя из минимизации совокупных затрат на произведенную полезную работу, поскольку параметры тяговых средств являются определяющими для экономической эффективности перевозок.

Классификация и технические характеристики перспективных электровозов. Электровозы в соответствии с типажом классифицируются на пассажирские, скоростные и грузовые. Основные параметры включенных в типаж электровозов представлены в табл. 2.1.1. Пассажирские электровозы серий ЭП2, ЭП3, ЭП100 предназначены для замены электровозов ЧС всех серий. Грузовые электровозы Э2, ЭС4 и 2ЭС6 заменят устаревшие модели ВЛ10 и ВЛ11, а электровозы Э3 и ЭС5 придут на смену электровозам серии ВЛ80.

Таблица 2.1.1. Типы и основные параметры перспективных электровозов

Номинальный диаметр бандажа колесных пар по кругу катания для всех электровозов унифицирован и составляет 1250 мм. На базе электровозов, предусмотренных типажом, предусмотрена возможность выпуска двухсистемных электровозов, работающих на двух системах тягового электроснабжения: переменного тока напряжением 25 кВ частотой 50 Гц и постоянного тока напряжением 3 кВ (серия ЭП20). Пассажирские и скоростные электровозы оборудуются устройствами электроснабжения пассажирского поезда номинальным напряжением 3 кВ и мощностью 1200 кВт.

Типаж и основные параметры перспективных тепловозов. Основные параметры тепловозов, включенных в типаж, приведены в табл. 2.1.2. Шестиосные пассажирские тепловозы мощностью 3500 и 2500 кВт с двумя кабинами управления предназначены для вождения пассажирских поездов дальнего следования, а также ускоренных грузовых поездов с максимальной скоростью до 140 км/ч. Данные локомотивы заменят в пассажирском движении тепловозы серий ТЭП70 и ТЭП60. Конструкцией предусмотрена возможность работы по системе многих единиц с обслуживанием одним машинистом, а также наличие системы энергоснабжения пассажирского поезда.

Таблица 2.1.2. Типы и основные параметры перспективных тепловозов

Грузовые и грузопассажирские тепловозы представлены в типаже несколькими моделями. Секция шестиосного грузового тепловоза мощностью 2500 кВт является базовой моделью, на основе которой создаются грузовые тепловозы секционной мощностью 3500 кВт для вождения тяжеловесных составов, в том числе с применением распределенной тяги. Для специализированных линий предусмотрен выпуск грузовых тепловозов мощностью 3500 и 2500 кВт с увеличенной нагрузкой от колесной пары на рельсы до 294 кН (30 тс). Новые грузовые тепловозы заменят эксплуатируемые ныне модели 2ТЭ116, 2ТЭ10М, 3ТЭ10М.

Четырехосный грузопассажирский тепловоз мощностью 1650 кВт предназначен для обслуживания местных короткосоставных пассажирских поездов. В двухсекционном исполнении данный локомотив может использоваться для вождения ускоренных грузовых, почтово-багажных и контейнерных поездов. Сила тяги в расчетном режиме для пассажирских поездов при скорости 39,3 км/ч должна составлять 205 кН, при максимальной скорости — 22,3 кН. Данный тепловоз заменит устаревшие модели М62 и ТЭП60.

Маневрово-вывозные и маневровые тепловозы представлены в типаже моделями различной мощности. Тепловозы мощностью 1500 кВт предназначены для хозяйственной (вывозной) работы, а локомотивы мощностью 800-1000 кВт — для маневровой. Предусмотрена возможность создания маневрово-вывозных тепловозов с питанием от контактной сети. Все маневровые тепловозы должны допускать управление одним машинистом и заменят эксплуатируемые ныне ЧМЭ3 и ТЭМ2.

Номинальный диаметр бандажа колесных пар по кругу катания для всех тепловозов унифицирован и составляет 1050 мм. Все новые локомотивы должны вписываться в установленный габарит 1Т. Для обеспечения безопасности движения предусмотрено оснащение комплексным локомотивным устройством с цифровым радиоканалом, а кабина машиниста должна соответствовать современным санитарно-гигиеническим требованиям.

Типы передач и перспективы развития локомотивов. Типаж локомотивов, предназначенных для эксплуатации на магистральных железных дорогах, предусматривает применение исключительно электрических передач. Однако это не исключает возможности использования в дальнейшем автономных локомотивов с передачами других типов, в частности, с гидравлической передачей. В настоящее время значительную часть парка промышленных тепловозов составляют именно тепловозы с гидропередачей.

К таким локомотивам относятся четырехосные тепловозы типа ТГМ3, ТГМ4, ТГМ6 Людиновского завода мощностью 550-882 кВт с нагрузкой от колесной пары на рельс 186-221 кН. Также эксплуатируются трехосные тепловозы ОАО «Муромтепловоз» мощностью до 368 кВт, тепловозы мощностью до 330 кВт с небольшой нагрузкой на ось и узкоколейные тепловозы ОАО «Камбарский машиностроительный завод». Опыт западноевропейских фирм, в частности компании Фосслох (Германия), свидетельствует о возможности дальнейшего развития тепловозов с гидравлическими передачами.

Опытные и перспективные типы локомотивов. К категории опытных и перспективных локомотивов относятся газотурбовоз, газотепловоз, газогенераторный тепловоз, теплопаровоз, паротурбовоз и атомный локомотив. Наиболее эффективным способом снижения расхода дизельного топлива является применение природного газа в качестве моторного топлива.

Исследования показывают, что природным газом можно заменить на магистральных газотепловозах 70-80% дизельного топлива, а на маневровых — 50-55%. Преимущества газотепловозов обусловлены повышенной на 10% теплотой сгорания газа по сравнению с дизельным топливом, пониженными в 1,5-2 раза выбросами токсичных веществ, увеличенным на 30-40% сроком службы моторного масла. Значительные запасы природного газа в России обеспечивают устойчивое топливоснабжение газотепловозов в перспективе.

Основным недостатком использования сжатого природного газа является ограниченный межэкипировочный срок, составляющий 2,5-3,5 суток. При доставке газа на место работы маневрового газотепловоза автогазозаправщиком этот срок является вполне приемлемым. Теоретически запас газа можно увеличить в 2-3 раза за счет применения сжиженного природного газа, однако практическая реализация этого подхода сопряжена с определенными трудностями.

Применение сжиженного газа требует установки газификатора с системой подачи горячей воды из дизеля, увеличивается тепловая инерционность системы при резко переменных режимах нагрузки, что вызывает необходимость установки на тендере резервной системы. В результате фактическое увеличение запаса газа не превышает 20-25%. Кроме того, сжиженный природный газ в технологическом и эксплуатационном планах является более сложным видом топлива, а его транспортировка и хранение требуют специального оборудования и дополнительных площадей.

Газогенераторный тепловоз работает на искусственном газе, получаемом при газификации твердого топлива. С развитием нефтеперерабатывающей промышленности необходимость использования твердого топлива на тепловозах отпала, однако приобретенный опыт конструирования газогенераторных тепловозов может быть востребован при изменении экономической конъюнктуры.

Теплопаровоз представляет собой локомотив, энергетическая установка которого состоит из дизельного двигателя, парового котла и паровой машины. В данной конструкции объединены элементы тепловоза непосредственного действия и паровоза. Идея создания теплопаровоза не получила развития из-за концептуальной некорректности: искусственное совмещение паровой машины и дизеля в одном рабочем цилиндре не оправдано, поскольку оптимальные значения степеней сжатия воздуха в цилиндре дизеля и пара в паровой машине существенно различаются.

Степень сжатия воздуха в цилиндре дизеля, работающего по принципу самовоспламенения топлива за счет высокой температуры сжатого воздуха, должна составлять не менее 10-12, тогда как в паровой машине сжатие пара имеет второстепенное значение. В результате оба тепловых двигателя работают совместно существенно менее эффективно, чем могли бы работать по отдельности на тепловозе и паровозе.

Паротурбовоз является разновидностью локомотивов с паротурбинной энергетической установкой, состоящей из теплового генератора (парового котла) и теплового двигателя (паровой турбины). Атомный локомотив (атомовоз) представляет собой локомотив с ядерной силовой установкой в качестве независимого источника энергии. Тепловая энергия от атомного реактора преобразуется в электрическую с помощью турбогенератора, а затем через электродвигатели — в механическую работу и силу тяги колесных пар.

Заключение. Разработанный типаж перспективных локомотивов создает основу для планомерного обновления парка тягового подвижного состава железных дорог России. Унификация оборудования, классификация по роду службы и применение современных технических решений позволяют обеспечить высокую экономическую эффективность перевозок при соблюдении требований безопасности движения. Особое внимание уделяется внедрению цифровых систем управления и контроля, а также улучшению условий труда локомотивных бригад.

Перспективные разработки в области применения природного газа в качестве моторного топлива открывают возможности для существенного снижения эксплуатационных расходов и улучшения экологических показателей. Опыт создания нетрадиционных типов локомотивов, таких как газотурбовозы, атомовозы и теплопаровозы, формирует научно-технический задел для дальнейшего развития тягового подвижного состава в условиях меняющейся экономической и технологической среды.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Анисимов П.С., Винокуров В.А., Воробьев В. И., и др.

Источник: Подвижной состав железных дорог

Данные публикации будут полезны студентам железнодорожных специальностей (эксплуатация железных дорог, подвижной состав), начинающим специалистам в области локомотивостроения и эксплуатации тягового подвижного состава, а также всем, кто интересуется устройством, классификацией и современными тенденциями развития железнодорожной техники.