Паровозы последних серий

Паровоз серии П36 – последний пассажирский паровоз разработки 1950 г. (Рис.2.9, Табл.2.6). Выпускался Коломенским заводом с 1950 по 1956 год. Конструкция паровоза типа 2-4-2 была разработана инженерами Коломенского завода И.И.Сулимцевым, Г.А.Жилиным и др. под руководством главного конструктора завода Л.С.Лебедянского. Всего был выпущен 251 паровоз серии П36, который отличался высокой надежностью и совершенством конструкции.

Рисунок 2.9 – Пассажирский паровоз серии П36

Таблица 2.6 – Техническая характеристика паровоза серии П36

Общая масса, т	135,8
Сцепная масса, т	72,4
Конструкционная скорость, км/ч	125
Давление пара в котле, МПа	1,5
Площадь пароперегрева, кв.м.	131,7
Площадь колосниковой решетки, кв.м.	6,75
Число цилиндров * диаметр, мм	2*575
Ход поршня, мм	800
Диаметр движущих колес, мм	1850

На закате паровой тяги П36 обслуживал пассажирское движение вплоть до 1974 года на Забайкальском и Дальневосточном участках Транссибирской магистрали, в том числе экспресс «Россия» (Москва – Владивосток).

До настоящего времени сохранилось несколько единиц паровозов П36, которые используются как «ретро» для вождения туристических поездов. Многие из них установлены как памятники.

Паровоз серии ЛВ – последний грузовой паровоз разработки 1952 г. Выпускался Ворошиловградским паровозостроительным заводом (Украина) с 1952 по 1956 год. Паровоз типа 1-5-1 серии ЛВ (Рис.2.10, Табл.2.7) явился дальнейшим развитием паровозов серий Л, с которым имеет одинаковую паровую машину и ряд других узлов.

Рисунок 2.10 – Грузовой паровоз серии ЛВ

Таблица 2.7 – Техническая характеристика паровоза серии ЛВ

Общая масса, т	121,5
Сцепная масса, т	90,1 – 98,6
Конструкционная скорость, км/ч	80
Давление пара в котле, МПа	1,4
Площадь пароперегрева, кв.м.	149,2
Площадь колосниковой решетки, кв.м.	6,46
Число цилиндров * диаметр, мм	2*650
Ход поршня, мм	800
Диаметр движущих колес, мм	1500

На паровозе ЛВ применены водоподогреватель, увеличитель сцепного веса, более эффективный конус, добавлена поддерживающая тележка, увеличены размеры топки и котла, использован шестиосный тендер. Полученная мощность на 25% превышала мощность паровоза серии Л, а максимальный реализованный КПД (9,27%) оказался самым высоким среди всех серийных паровозов СССР. Работал в основном с грузовыми поездами. Несколько экземпляров этой серии паровозов установлены на постаменты возле депо или заводов как памятники истории паровой тяги.

Скоростной пассажирский паровоз типа 2-3-2 № 6998 (Рис.2.11) построен в 1938 году на базе типового на Ворошиловградском паровозостроительном заводе. Локомотив имел общую массу в рабочем состоянии 138 т, сцепную массу 64,5 т, диаметр движущих колес 2200 мм и конструкционную скорость 180 км/ч. Движущий механизм паровоза был максимально облегчен за счет применения легированных сталей и замены литых деталей коваными. Для уменьшения неподрессоренных масс движущие, бегунковые и поддерживающие колеса были выполнены дисковыми.

Рисунок 2.11 – Скоростной пассажирский паровоз типа 2-32

Сигарообразная обтекаемая форма, обеспечивала хорошие аэродинамические качества и значительно снижала воздушное сопротивление, особенно на высоких скоростях. Все оси паровозных и тендерных тележек были оборудованы роликовыми подшипниками.

Паровоз 2-32 №6998 вошел в историю как паровоз достигший наибольшей скорости движения на отечественных железных дорогах – 180 км/ч.

Паровозная тяга, имея определенные ограничения по своим физико-техническим и экономическим возможностям, не могла обеспечить растущую перевозочную работу. Даже предельно достигнутая мощность паровозов была недостаточной для вождения поездов с повышенной массой. Производительность паровозов ограничивалась короткими участками обслуживания из-за необходимости его экипировки через 150-200 км пробега.

Назрела необходимость замены паровозов более производительными и экономичными локомотивами. В середине 50-х годов XX века большинство стран приступили к замене паровой тяги на электрическую и тепловозную. Решение о массовой замене паровозов тепловозами и электровозами в СССР было принято в 1956 г. В этом же году в СССР был построен последний паровоз. Замена паровозного парка была практически завершена в 1980 году. Пришедшие на смену паровозам более экономичные тепловозы и электровозы показали неоспоримые преимущества

Тепловозная тяга. Полигон тепловозной тяги занимает более половины длины железных дорог России. Автономность этого вида тяги, т.е. независимость от источника внешнего питания дает тепловозной тяге серьезные преимущества перед электровозной.

Создание принципиально нового типа локомотива с двигателем внутреннего сгорания вместо паровозов была реализована в начале XX века и воплотилась в 1924 году в первые магистральные тепловозы по проектам отечественных специалистов Ю.В.Ломоносова и Я.М.Гаккеля.

Профессор МИИТ В.Д.Кузьмич квалифицировал отечественный парк поездных тепловозов как:

• до военного периода (Э^ЭЛ-2, Щ^ЭЛ-1, Э^МХ-3, Э^ЭЛ);

• 1^го поколения – 1945-1955 годы (ТЭ1, ТЭ2);

• 2^го поколения – 1956-1970 годы (ТЭ3, 2ТЭ10Л, ТЭП60, ТГ102);

• 3^го поколения – 1970-1990 годы (2ТЭ116, 2ТЭ121, ТЭП70, 2ТЭ136);

• тепловозы 4^го поколения – 1991-2000 годы (ТЭП80, ТГ22, ТЭП70БС);

• тепловозы XXI века – весь парк России после 2000 г. (2ТЭ25К, 2ТЭ25А, ТЭМ18Д, 2ТЭ116У, ТЭП70БС).

По типу передач тепловозы делятся на локомотивы с механической, электрической, гидравлической и гидромеханической передачей.

Механические передачи из-за сложности конструкции при передаче мощности от дизеля к колесной паре и низкой эксплуатационной надежности ее устройств не применяется. Механическая передача нашла применение на локомотивах с малой мощностью (до 150 кВт), в автодрезинах, мотовозах и дизель-поездах Д венгерского производства.

В гидравлических передачах тепловозов мощность от дизеля передается к движущимся колесным парам локомотивов через гидравлические аппараты, в которых рабочим телом является жидкость. Гидравлические передачи в зависимости от преобладания в рабочей жидкости энергии давления (напора) или кинетической энергии подразделяются на гидростатические (объемные) или гидродинамические.

Преимущества тепловозов с гидравлической передачей – незначительный расход цветных металлов и невысокая стоимость их изготовления.

Меньшая производительность тепловозов с гидравлической передачей по сравнению с электрической равной мощности обусловило применение тепловозов с гидравлической передачей на железных дорогах в маневровой работе и на предприятиях промышленного транспорта. Особое место занимают железнодорожные дороги Сахалина, где из-за обильных снегопадов применяются тепловозы только с гидравлической передачей.

В настоящее время на сети дорог в грузовой поездной работе используются тепловозы серии 2ТЭ10 различных модификаций (2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ10У), 2ТЭ116, 2ТЭ116У; в пассажирском движении – ТЭП70, ТЭП70БС; в маневровой работе – ЧМЭ3 (чехословацкого производства), ТЭМ2, ТЭМ7, модификации тепловоза ТЭМ18.

В соответствии с преобразованием энергии в энергетической цепи КПД тепловоза с электрической передачей:

у_т = у_э (1-β)у_пер , /2.26/

где у_э – эффективный КПД дизеля (у_э = 0,4-0,45);

у_пер – КПД электрической передачи (у_пер = 80-82%);

β – доля мощности дизеля на собственные нужды.

Расчетный КПД составляет 28,5%.

В большинстве стран мира, в т.ч. и в России, используются и электровозы и тепловозы. Соотношение между видами тяги зависят от местных условий и особенностей экономики. В США практически вся сеть железных дорог (99%) обслуживается тепловозами, тогда как в Швейцарии вся сеть электрифицирована.

В России электрифицированы 42тыс.км железных дорог из общей протяженности 86тыс.км, т.е. тепловозной тягой охвачена большая часть железных дорог, но следует отметить, что электрифицированы наиболее грузонапряженные участки железных дорог, в связи с этим больший объем грузоперевозок выполняется электрической тягой (более 70%).

Газотурбовоз ГТ1. Для снижения зависимости от традиционного источника энергии (нефть и нефтепродукты) расширяется работа по применению альтернативных видов топлива, в частности природного газа и водорода. Внедрение альтернативного газового топлива тесно связано с использованием на автономных локомотивах газотурбинных двигателей (ГТД) обладающих более экономичными характеристиками чем локомотивы с дизелями. При этом наиболее эффективно хранение на борту локомотива газа в сжиженном виде. Однако их использование на локомотивах требует решения ряда сложных технических и организационных задач:

• создание высокоэкономичного газотурбинного двигателя;

• разработка алгоритмов систем регулирования, обеспечивающих взаимодействие работы ГТД и электрической передачи;

• разработка бортовых систем заправки, хранения, передачи и регазификации сжиженного газа;

• создание топливной системы газотурбинного двигателя, работающего на сжиженном газе.

Эти задачи в определенной мере решены при создании в Российской Федерации первого в мире газотурбовоза на сжиженном природном газе ГТ1 (Рис.2.12), на котором установлен мировой рекорд массы поезда 16 тыс.т при ведении одиночной тяги с головы состава.

Рисунок 2.12 – Газотурбовоз ГТ1

Грузовой газотурбовоз с электропередачей переменно-постоянного тока с поосным регулированием тяги в составе двух шестиосных секций. Мощность газотурбинного двигателя 8300 кВт. Конструкционная скорость 100 км/ч. На участке обращения с руководящим подъемом i = 9‰ возможно вождение составов весовой нормы Q = 7700 т с установившейся скоростью движения 32 км/ч. На участке обращения с руководящим подъемом i = 6‰ возможно вождение составов весовой нормы Q = 11000 т с установившейся скоростью движения 31,8 км/ч.

Газотурбовоз состоит из двух секций – тяговой и бустерной. Каждая с кабиной управления. На тяговой секции располагаются силовой блок, включающий газотурбинный двигатель, тяговый и вспомогательный генераторы, система подготовки газа, винтовой компрессор, система вентиляции электрических машин, аппаратные шкафы. На бустерной секции располагаются криогенная емкость, обеспечивающая пробег газотурбовоза 1000 км, вспомогательный дизель-генератор, системы вентиляции электрических машин, аппаратные шкафы. В Табл.2.8 сравнены характеристик локомотивов.

Преимущества:

• замена трехсекционных тепловозов мощностью 3*2205 кВт;

• исключение переформирования поездов на стыковочных станциях с электровозной тягой;

• экономия годовых эксплуатационных расходов на топливо-энергетические ресурсы и смазочные материалы на 44%;

• улучшение экологических показателей по сравнению с серийными тепловозами более чем в 10 раз.

Таблица 2.8 –

Сравнение эффективности газотурбовоза ГТ1 и тепловоза 2ТЭ116

Наименование параметра	ГТ1	2ТЭ116	Эффект %
Мощность силовой установки, кВт	8300	2*2206	86
Сила тяги длительного режима, кН	630	2*245	29
Скорость длительного режима, км/ч	100	100
Тип электрической передачи	переменно-постоянного тока	переменно-постоянного тока
Весовая норма, т	6000	4000	50
Беззаправочный пробег, км	1000	1150	-14
Снижение расходов на топливо			36
Снижение стоимости жизненного цикла			15

Электровозная тяга. Электрификация железных дорог России началась в 1929 году с перевода на электротягу пригородного участка Москва – Мытищи протяженностью 18 км. Первый электропоезд с пассажирами прошел по участку Москва – Мытищи 29 августа 1929 г. и положил начало перехода движения на электровозную тягу. В первую очередь электрифицировались участки железных дорог с большими грузопотоками и тяжелым горным профилем.

Первые электровозы на Российских железных дорогах появились в 1929 г. в связи с электрификацией Сурамского перевала на Закавказской железной дороге (линия Баку – Сабунчи). На линии эксплуатировались закупленные за границей электровозы, получившие обозначения С (с индексом соответствующей стране изготовителя).

Первый отечественный электровоз С_С был введен в эксплуатацию в 1932 году, впоследствии ВЛ19 (цифра 19 указывает нагрузку на рельсы в т, приходящаяся на одну ось). Этот принцип сохранялся в обозначениях электровозов ВЛ22 и ВЛ23, позже перешли к указанию числа осей (постоянного тока ВЛ8), а затем добавили букву «О», которая обозначала род тока (электровозы, работающие на Однофазном токе), соответственно 6-осные и 8-осные локомотивы ВЛ60, ВЛ80 (позднее буква «О» трансформировалась в ноль). Буквы «ВЛ» были введены в названия электровозов в память Владимира Ленина, инициатора плана ГОЭРЛО и электрификации железных дорог.

В пассажирском движении к названию электровоза добавлялась буква «П», например ВЛ60П. Отличие от грузового электровоза ВЛ60 заключалось в изменении передаточного отношения от тягового электродвигателя к колесной паре.

Конструкции восьмиосных электровозов постоянного тока получили обозначения серий ВЛ10, ВЛ10^У, ВЛ11, а серии восьмиосных электровозов ВЛ80 обозначались индексами ВЛ80^К,ВЛ80^Т, ВЛ80^С, ВЛ80^Р(соответственно с кремниевыми выпрямителями, с реостатным тормозом, с работой по системе многих единиц и с рекуперацией). 12-осные электровозы постоянного и переменного тока обозначались соответственно ВЛ15, ВЛ85.

Основу эксплуатируемого парка пассажирских локомотивов в советский период составляли 6-осные электровозы ЧС2 и ЧС2Т постоянного тока, электровозы ЧС4, ЧС4Т переменного тока, а также 8-осные электровозы ЧС6, ЧС7 и ЧС200 постоянного тока и с такой же ходовой частью электровозы переменного тока. В этих обозначениях буквы «ЧС» обозначают страну поставщика (Чехословакию).

В середине 90-х годов были изменены обозначения новых электровозов: в обозначении грузовых электровозов ввели букву «Э» (например, Э1, Э2 и т.д.), а для пассажирских и универсальных – буквы «ЭП», в частности электровоз ВЛ65 получил обозначение ЭП1. Электровоз выполненный с возможностью питания от сети как постоянного, так и переменного тока – ЭП10 и ЭП20, т.е. двойного питания. В обозначении 2ЭС5К – буква «С» означает секционность, буква «К» – коллекторные двигатели. Отсутствие буквы «К» означает асинхронный привод.

В СССР на магистральных линиях электрификация осуществлялась на постоянном электрическом токе напряжением 3 кВ или на переменном однофазном токе промышленной частоты напряжением 25 кВ.

Российская Федерация, владея 9% общей протяженности сети железных дорог мира, имеет 16,9% их общего электрифицированного полигона. РЖД занимает первое место в мире по абсолютной протяженности электрифицированных железных дорог и степени их загруженности.

На электрифицированных железных дорогах мира преимущественно распространена система тягового электроснабжения переменного тока 25 кВ, 50 Гц. Новая электрификация ведется по этой же системе, потому что при постоянном токе имеются ограничения по мощности, скоростям движения, весовым нормам поездов (массе поездов) и пропускной способности железных дорог. Поэтому в ряде стран осуществляется перевод электротяги с постоянного (3 кВ, 1,5 кВ) на переменный ток. Примером такого перевода в России может служить протяженный участок Транссиба Зима – Слюдянка.

Многолетняя эксплуатация участков, электрифицированных на переменном токе, убедительно доказала технико-экономические преимущества этой системы. Капитальные затраты на электрификацию, даже с учетом реконструкции линий связи, снижаются на 15 – 18% в сравнении с постоянным током. В 2 – 3 раза уменьшается количество тяговых подстанций, они намного проще и требуют меньших затрат не содержание. Значительно облегчается контактная подвеска – экономия меди более 2 т на 1 км. Снижается износ контактных проводов и их периодической замены, исключается электрокоррозия опор контактной сети и подземных сооружений.

Электрифицированные участки переменного тока имеют более высокую энергетическую эффективность электроснабжения. В результате себестоимость перевозок на участках переменного тока почти на 20% ниже, чем при электротяге постоянного тока.

Касаясь энергетической эффективности электрифицированных дорог, следует отметить, что удельный расход условного топлива на измеритель работы (т км брутто) в России по сравнению с Европой минимален. Прежде всего, это объясняется преобладанием на РЖД грузового движения и большими весовыми нормами поездов.

При электрификации создаются предпосылки удлинения зон работы локомотивов. На ряде направлений зоны обращения электровозов достигнут 1000 и более км.

Целесообразность электрификации определяется и другими не менее значимыми натуральными величинами. В их числе – улучшение экологической обстановки, сокращение потребности топлива, повышение скоростей движения грузовых и пассажирских поездов, большие возможности автоматизации процессов управления и производства.

За рубежом на магистральных железных дорогах работают электропоезда постоянного тока напряжением 1,5 кВ, переменного тока напряжением 11-16 кВ частотой 16⅔ или 25 Гц. Для безотцепочной работы с экспрессами применяют 4-системные электровозы постоянного тока напряжением 3 и 1,5 кВ, переменного тока напряжением 25 кВ частотой 50 Гц и 15 кВ частотой 16⅔ Гц

Эффективность видов тяги. При оценке эффективности видов тяги паровозная тяга не может быть принята во внимание из-за низкого КПД паровозов: 7 – 9%.

В качестве недостатка электровозной тяги указывается на необходимость значительных затрат на электрификацию железной дороги. Основными составляющими капитальных вложений являются затраты на опоры контактной сети, сооружение тяговых подстанций. На 1 км электрифицированной однопутной дороги нужно примерно 40 опор. Через каждые 50-60 км (при переменном токе) или через 25-30 км (при постоянном токе) устанавливаются тяговые подстанции. Кроме того, указывается на уязвимость электрифицированных линий в аварийных, военных и других ситуациях.

В качестве преимуществ электровозной тяги приводятся более высокие по сравнению с тепловозной тягой весовые нормы поездов, участковые скорости, среднесуточные пробеги, что особенно важно на грузонапряженных участках дорог. Кроме того, стоимость одного кВт*ч у электровоза в 5-10 раз ниже. При этом надежность электровозов в три раза выше, чем у тепловозов.

До сих пор не установлен критерий эффективности оценки преимущества того или иного вида тяги. Возможен в качестве объективного критерия оценка – по значению «критического» грузооборота, который определяет целесообразность перевода с одного вида тяги на другой. На сегодня, учитывая возросшую разницу в себестоимости перевозок между тепловозной и электровозной тягой, «критический» грузооборот в среднем составляет для РЖД 20-25 млн. т км брутто. За рубежом этот предел значительно ниже – на Украине – 22, в Германии – 16, Польше – 10, Англии – 5 млн. т км.

В качестве иного критерия для сравнения различных вариантов технических решений в последнее время принято считать «стоимость жизненного цикла». Однако этот критерий только начинает применяться на железнодорожном транспорте и поэтому методически не обоснован.

Таким образом, для объективного сравнения доказательств эффективности различных видов тяги требуется проведение специальных испытаний тяговых средств на одном и том же участке с соответствующими массами поездов. При их отсутствии приходится вынуждено использовать статические данные эксплуатации, но при этом не может быть гарантирована объективность оценок.

Тем не менее, расчеты показывают, что при использовании на тепловозах природного газа вместо дизельного топлива затраты на топливо будут меньше затрат на электроэнергию в электротяге. В связи с этим применение газотурбовозов может оказаться выгоднее электрификации железных дорог.

Снижению затрат на тягу поездов и повышению экономической эффективности в эксплуатации способствуют мероприятия:

• оборудование всего парка системами регистрации параметров работы и учета расхода дизельного топлива;

• продолжение работ по повышению эффективности рекуперации электроэнергии электровозами;

• поставка на сеть дорог новых локомотивов с улучшенными энергетическими характеристиками;

• модернизация тепловозов с заменой двухтактных дизелей на 4-х тактные;

• оборудование тепловозов системами прогрева тепловоза при неработающем дизеле.