Технические требования и нормы безопасности к локомотивам железнодорожного транспорта

Локомотив как техническое средство должен отвечать нормам безопасности движения и надежности подвижного состава, требованиям безопасности труда, включая охрану труда и улучшение условий труда персонала. Кроме того, конструкция локомотива должна соответствовать нормам техники безопасности и производственной санитарии, пожарной защиты, а также экологическим требованиям и нормам снижения вредного воздействия на окружающую среду. Выполнение данных требований является основополагающим условием допуска подвижного состава к эксплуатации на железнодорожных путях общего пользования.

Безопасность движения представляет собой состояние процесса перевозок, отражающее степень защищенности его участников от транспортных происшествий и их последствий. Для обеспечения безопасности движения необходимо неукоснительное выполнение требований к транспортным средствам, производственной базе и объектам инфраструктуры транспорта, сформулированных в Федеральных законах "О железнодорожном транспорте в Российской Федерации" (№ 17-ФЗ, от 10.01.03 г.) и "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера" (№ 68-ФЗ, от 21.12.94 г.). Техническое состояние локомотива должно гарантировать безопасность его функционирования на всем протяжении срока службы.

Основные принципы обеспечения безопасности функционирования локомотивов. Техническое состояние и оборудование локомотива должны соответствовать государственным стандартам, правилам технической эксплуатации, инструкциям заводов-изготовителей и нормативно-технической документации. Методы повышения безопасности функционирования технических средств и работы персонала железных дорог базируются на трех фундаментальных принципах. К ним относятся: уменьшение интенсивности опасных отказов технических средств или опасных ошибок специалистов; сокращение числа видов потенциально опасных отказов или ошибочных действий; увеличение коэффициента их парирования, то есть своевременного предупреждения и нейтрализации.

Уменьшение интенсивности опасных отказов технических средств достигается путем создания необходимых запасов прочности их элементов при изготовлении и последующего восстановления этих запасов в процессе эксплуатации. При увеличении запаса прочности технических средств одновременно повышается их надежность, что напрямую влияет на безопасность движения. Запас прочности формируется за счет повышения механической прочности элементов конструкций и увеличения электрической прочности электротехнических устройств, подверженных высоким нагрузкам.

На этапе конструирования необходимый запас прочности обеспечивается выбором рациональной конфигурации деталей и применением соответствующих материалов с заданными характеристиками. В процессе производства требуемые параметры достигаются путем внедрения современных технологий и последующего выходного контроля для отбраковки элементов с дефектами. На этапе эксплуатации запас прочности восполняется благодаря профилактике при текущем содержании и внедрении современных ремонтных технологий, что позволяет поддерживать локомотивы в исправном состоянии.

Следует отметить, что понятие необходимый запас прочности должно ассоциироваться с оптимальным запасом прочности, то есть с научно аргументированным и экспериментально подтвержденным минимальным значением. Такой подход гарантирует отсутствие опасных отказов при сохранении экономической эффективности конструкции. Особенно важное значение это имеет для деталей механического оборудования пассажирских и скоростных локомотивов, работающих в условиях повышенных динамических нагрузок.

Классификация опасных отказов и методы их предотвращения. Опасными отказами подвижного состава, приводящими к крушениям и авариям поездов, являются отказы элементов тележек. Наиболее критичными считаются изломы шеек и осей колесных пар, изломы дисков колесных центров, а также сдвиги колес по оси. Не менее опасны трещины и изломы рам тележек, падение деталей подвижного состава на путь и образование остроконечного наката, который может привести к сходу состава с рельсов.

Уменьшение числа видов опасных отказов достигается путем выбора соответствующей структуры технического средства, что относится к области конструкторских решений. Принципы и методы, позволяющие синтезировать новую структуру с наименьшим числом видов опасных отказов, получили название структурных и весьма многочисленны. Их применяют для повышения безопасности как механических конструкций, так и электротехнических устройств, например, при внедрении моторно-осевых подшипников качения вместо подшипников скольжения, что существенно снижает риск заклинивания.

Принципы и методы предупреждения опасных отказов заключаются в обнаружении возможности их возникновения и переводе системы в защищенное состояние. Устройства, реализующие эти функции, могут быть автоматическими, автоматизированными или неавтоматизированными, но все они направлены на предотвращение аварийных ситуаций. Примерами являются установка оборудования для обнаружения нагрева букс скоростных локомотивов и диагностики неисправности узлов экипажной части, а в целом — оснащение локомотивов микропроцессорными системами управления и диагностики.

Обеспечение безопасности деятельности персонала и предупреждение опасных ошибок человека реализуются двумя основными способами. Первый способ заключается в том, что действия одного оператора, например машиниста, контролирует другой оператор (помощник машиниста), который вовремя исправляет опасные ошибки. Второй способ предполагает, что за человеком-оператором "наблюдает" автоматическое устройство, которое при необходимости парирует опасные ошибки, например, автостоп останавливает поезд при проезде запрещающего сигнала.

Требования к снижению потерь и защите от механических факторов. Уменьшение потерь при крушениях, авариях и других опасных состояниях движения поездов достигается путем снижения уровня поражающих факторов и защиты от их воздействия пассажиров, грузов и объектов внешней среды. Данный подход включает комплекс мер пассивной безопасности, направленных на минимизацию последствий уже произошедшего инцидента. Среди методов снижения уровня первичных поражающих факторов наибольшее распространение получили способы уменьшения силы инерции, возникающей при столкновении поездов, например, применение упругих элементов в торцовых частях локомотива или деформируемых поглощающих устройств большой энергоемкости.

Механические факторы обусловлены ударами и вибрациями, которые могут привести к нарушению целостности паек, контактов, разрушению элементов электроники, крепежных и несущих деталей. При движении поездов по рельсовым путям возникают вибрации с частотами от долей до нескольких тысяч герц, воздействующие как на оборудование, так и на людей. Колебания с низкими частотами вызывают повышенную утомляемость локомотивных бригад и пассажиров, причем "укачивание" воздействует на внутренние органы подобно морской болезни.

Вибрации с частотами в диапазоне 30–500 Гц могут вызвать опасные резонансные колебания элементов конструкции, что способно привести к разрушению металлоконструкций. Это выдвигает жесткие требования к конструкции и параметрам рессорного подвешивания локомотивов, а также к средствам амортизации узлов, устанавливаемых на раме. Особое внимание уделяется конструкции и оборудованию кабины машиниста, где должны быть обеспечены комфортные и безопасные условия труда.

Конструкция локомотива и его оснащение должны быть направлены на минимизацию или полное предотвращение опасных отказов технических средств и ошибок персонала. На достижение этой цели направлены нормы, которые должны быть выполнены при создании локомотива, и технические требования, составленные для их реализации. Технические требования должны содержать наряду с основными характеристиками положения всех норм, отражающих безопасность движения и работы локомотивной бригады.

Общие технические требования к локомотивам и их параметры. Общие технические требования к локомотивам устанавливаются типажом, который определяет требования по каждому типу локомотивов, а также общие требования к их оборудованию. Технические требования к магистральным и маневровым тепловозам согласованы как национальным органом управления железнодорожным транспортом, так и предприятиями-изготовителями, и установлены ГОСТ 31187. Общие требования включают в себя показатели назначения локомотива, скорости обращения, секционности, возможности работы по системе многих единиц и требования к модульному комплектующему оборудованию.

Техническими требованиями предусмотрены следующие основные параметры тепловозов: мощность по дизелю, осевая формула, сила тяги в расчетном режиме и скорость в расчетном режиме. Важными показателями являются КПД тепловозов при работе дизеля на полной мощности, который должен быть не менее 0,31, и коэффициент полезного использования мощности дизеля на тягу не менее 0,78. Расчетная нагрузка от колесной пары на рельсы ограничена значениями не более 221 кН для пассажирских локомотивов и 245 кН для грузовых.

Коэффициент тяги грузовых тепловозов при трогании без подачи песка должен составлять не менее 0,33 для передачи переменно-постоянного тока и 0,36 для передачи переменно-переменного тока. Для пассажирских тепловозов этот показатель установлен на уровне 0,32, а коэффициент использования сцепного веса тепловоза должен быть не менее 0,9. Данные параметры обеспечивают эффективную реализацию тягового усилия и предотвращают боксование колесных пар в различных режимах движения.

Климатическое исполнение тепловозов должно соответствовать ГОСТ 15150, при этом оборудование, устанавливаемое вне кузова, должно быть исполнения У1. Оборудование, размещаемое в кузове и высоковольтной камере, должно соответствовать исполнению У2, а устанавливаемое в кабине — исполнению У3, при этом допускается установка оборудования климатического исполнения УХЛ. Такая градация обеспечивает работоспособность всех систем в различных температурных и погодных условиях эксплуатации.

Требования к топливу, системам и оборудованию локомотивов. По требованию заказчика тепловозы должны быть приспособлены для работы на дизельном топливе расширенной спецификации или с использованием альтернативного топлива, включая природный газ. Для этого предусматривается установка дополнительного оборудования или дополнительной прицепной секции со вспомогательным оборудованием и запасом топлива. Маневровые тепловозы должны быть приспособлены для заправки газобаллонных емкостей от передвижных газозаправщиков, при этом газовое топливо размещается под давлением не более 20 МПа.

Локомотивы должны быть оборудованы микропроцессорной системой управления, регулирования и диагностики, а также системами безопасности движения. Кабина управления должна соответствовать санитарным нормам и техническим требованиям, утвержденным национальным органом управления железнодорожным транспортом. Обязательным является наличие автосцепки и поглощающего аппарата с возможностью их замены без выкатки тележек и демонтажа других составных частей, что сокращает время ремонта.

В конструкции предусматривается система автоматической остановки при саморасцепке секций многосекционного локомотива и система автоматического пожаротушения в дизельном помещении. Для пассажирских тепловозов обязательна сигнализация о возникновении пожара в других помещениях тепловоза и в вагонах пассажирского поезда. Маневровые тепловозы оснащаются путеочистителями, рассчитанными на силу не менее 140 кН, что позволяет работать на заснеженных или загрязненных путях.

Для обеспечения комфортных условий эксплуатации предусматривается устройство для подогрева теплоносителей дизеля при длительном отстое в "горячем" резерве с отключенным дизелем. Устанавливаются система измерения количества и учета расхода топлива, установка поддержания микроклимата и системы отопления в кабине машиниста. Также предусмотрены обогрев лобовых и боковых окон, солнцезащитные шторы, холодильник для продуктов, электроприбор для подогрева пищи, санузел и умывальник.

Оборудование локомотивов должно быть рассчитано для работы при вибрационных и ударных нагрузках по группам механического исполнения М25, М26, М27 согласно ГОСТ 17516.1 в зависимости от места размещения узла. Конструкцией локомотива должно быть предусмотрено управление им одним лицом с учетом требований ГОСТ 12.2.056. При эксплуатации группы локомотивов, распределенных по составу, по требованию заказчика предусматривается возможность управления ими с головной единицы.

Требования к конструкции кузова, экипажной части и тележек. Конструкция кузова и экипажной части должна соответствовать техническим требованиям по условиям прочности, динамики и воздействия на путь, утвержденным национальным органом управления. Она должна обеспечивать стойкость к воздействию механических факторов на оборудование тепловоза в соответствии с ГОСТ 17516.1. При этом предусматривается поузловая унификация кузовов магистральных электровозов и тепловозов, причем кузова должны быть вагонного типа с погонной массой не более 1,1 т/м.

На маневровых тепловозах применяется кузов капотного типа с несущей рамой и погонной массой не выше 1,4 т/м, что обеспечивает необходимую прочность при маневровых работах и соударениях. Важным требованием является обеспечение за счет несущей способности и применения поглощающих устройств работоспособности экипажной части и безопасности локомотивной бригады при столкновениях. Лобовая часть кузова (кабина машиниста) рассчитывается на воздействие равномерно распределенной по ширине подоконной части продольной нагрузки до 290 кН.

Для магистральных локомотивов предусматривается применение рессорного подвешивания с общим прогибом не менее 130 мм для грузовых и 150–270 мм для пассажирских локомотивов. На пассажирских тепловозах и электровозах применяется опорно-рамное подвешивание тяговых электродвигателей, что снижает неподрессоренные массы. На грузовых и маневровых тепловозах применяется опорно-осевое подвешивание с обязательным внедрением моторно-осевых подшипников качения.

Магистральные локомотивы оборудуются гребнесмазывателями для снижения износа гребней колес, а для эксплуатации на участках с горным профилем применяется система радиальной установки колесных пар. Кузов и рама пассажирских локомотивов рассчитываются по допускаемым напряжениям на продольные силы сжатия и растяжения 1960 кН. Для грузовых локомотивов этот показатель составляет 2450 кН, а для консольных частей — 2940 кН, при этом срок службы кузова и рамы должен быть не менее 40 лет.

Автосцепки должны иметь поглощающие аппараты энергоемкостью не менее 70 кДж для грузовых и маневровых тепловозов и 50 кДж для пассажирских, что обеспечивает поглощение энергии при соударениях. Конструкция тележки должна обеспечивать ресурс бандажей колесных пар не менее 1 млн км с учетом эксплуатации на участках пути с протяженностью кривых не более 50 %. Ресурс моторно-осевых подшипников качения устанавливается не менее 5 млн км или 12,5 лет, ресурс шестерни — не менее 0,9 млн км, а зубчатого колеса — 1,8 млн км.

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.