2.4. Локомотивы
Начальный период истории развития железнодорожного транспорта связан с паровозостроением. Одна из важнейших технических характеристик паровозов – нагрузка на ось, определяемая возможностями верхнего строения пути, изменилась от 8-10 т на первых железных дорогах до 23-25 т в момент завершения их строительства в 1957 г.
Первые паровозы для железных дорог России были закуплены в Англии. С 1844 г. производство отечественных паровозов было налажено на Александровском заводе под Петербургом на привозном металле и комплектующих деталях из-за границы. На заводе строились грузовые паровозы с колесной формулой 0-3-0 и пассажирские 2-2-0. Они имели давление пара 8 атм., колеса диаметром 1150 мм у грузовых и 1705 мм у пассажирских, вес 30 т и мощность 170 л. с. Грузовые паровозы могли везти 15 - 20 вагонов (по 6 - 8 т) со скоростью 15 км/ч, а пассажирские обычно 7 вагонов со скоростью 25 - 35 км/ч.
В 1860-х годах паровозы преимущественно ввозились из-за границы. Это были более мощные грузовые паровозы 0-3-0 с диаметром колес 1220 мм, давлением пара 8- 9 атм. и сцепным весом 35 т. С конца 1860-х годов на Коломенском и Невском заводах стали выпускать первые паровозы 0-4-0 серии Ч, имевшие давление пара 10 атм. Отечественные паровозы с машиной компаунд в России появились в 1885 г. Было построено шесть таких паровозов типа 2-2-0 серии Пб. Принцип компаунда, двойного расширения пара, позволял экономить до 15 % топлива. К концу 1890-х годов около 13 % паровозов имели такие машины в двухцилиндровом исполнении.
Значительное развитие русское паровозостроение получило в 1890-х годах. Были построены новые крупные паровозостроительные заводы, оснащенные новейшим оборудованием: Брянский, Харьковский, Луганский.
В 1890-х годах началось производство паровозов на Путиловском и Сормовском заводах. С их пуском выпуск паровозов стал возрастать и достиг максимума в 1901 г.
В начале 1900-х годов появляются паровозы серий О (0-4-0) и Щ (1-4-0), которые хотя и имели машину компаунд, но обладали более мощными характеристиками (давление пара 12 - 13 атм., размеры колес соответственно 1200 и 1300 мм, сцепной вес 53 и 64 т). Значительные объемы производства позволяли упорядочить разнотипность производимых моделей паровозов. В последующих моделях отказались от принципа компаунда и стали производить паровозы более простого действия с перегревом пара.
Первый отечественный паровоз с перегревом пара типа 2-3-0 серии Ж появился в 1902 г., который обеспечивал экономию топлива до 25 %, а воды - до 35 %. Рост скорости движения пассажирских поездов требовал повышения производительности котлов паровозов, увеличения давления в них до 11 - 12 атм., а также увеличения диаметра движущих колес, хотя последнее снижало силу тяги локомотива. В 1900-х годах стали выпускать новые мощные пассажирские паровозы двух типов, сначала тип 2-3-0 серий Б, К и У, а незадолго до войны - тип 1-3-1 серии С. Лучшим был тип 1-3-1, который в дальнейшем получил широкое распространение. В 1912 г. появился отечественный товарный паровоз серии Э(0-5-0), который был значительно совершеннее своих предшественников и в дальнейшем выпускался в значительных размерах.
К 1913 г. достижения паровозостроения характеризовались следующими параметрами: поверхность нагрева котлов достигала 200 м2, давление пара 12 - 13 атм., диаметр колес для обеспечения силы тяги составлял 1320 мм для грузовых и 1830 - 1920 мм для пассажирских паровозов. Грузовые паровозы имели конструкционную скорость 65 - 70 км/ч, а пассажирские - 115 - 120 км/ч, нагрузка колесных пар на рельсы не превышала 16-17 т. Максимальная мощность при расчетной форсировке котла достигала 500 л. с.
В период с 1915 по 1918 г. по заказу России из США было поставлено значительное число паровозов типа 1-5-0 серии Е, которые были существенно мощнее, чем паровозы серии Э. Таким образом, к концу дореволюционного периода (к 1917 г.) паровозный парк состоял преимущественно из паровозов серий О и Щ, имел небольшую мощность и по современным нормам - средний возраст. На 25 % он состоял из паровозов старше 20 лет, на 39,6 % из паровозов от 10 до 20 лет и на 35,4 % из паровозов в возрасте до 10 лет. Всего на железных дорогах России обращалось 19 - 20 серий грузовых паровозов и 16 - 17 серий пассажирских паровозов.
В период 1918 - 1920 гг. поставки отечественных паровозов для нужд железных дорог были крайне незначительны, и их нехватка пополнялась закупками паровозов за границей. В начале 1920-х годов на отечественные железные дороги стали поступать грузовые паровозы серии Э, строившиеся вначале в Швеции и Германии, а затем, с 1926 г., началось их серийное производство на отечественных восстановленных локомотивостроительных заводах.
Построенный в 1924 г. по проекту проф. Я. М. Гаккеля дизель-электрический тепловоз Щэл 1 общим весом 180 т и сцепным 160 т при 10 движущих осях имел в экипажной части один общий кузов, три моторные и две поддерживающие тележки. Компоновочная схема тепловоза ЭЛ8 мощностью 1600 л. с. имела два дизеля в секции. Конструкция построенного в Коломне в 1933-1934 гг. первого в мире двухсекционного тепловоза 2-4-1+1-4-2 предусматривала литую дизель-генераторную раму, которая одновременно служила междурамным креплением экипажа.
В начале 1930-х годов была разработана отечественная гидравлическая муфта для тепловоза Эмх 3, имевшего мощность 1000 л. с., которая превосходила муфты немецких мотовозов с гидравлическими передачами.
В 1931-1932 гг. поступают в эксплуатацию наиболее мощные в то время в Европе грузовые паровозы ФД и пассажирские ФДп, развивавшие при испытаниях мощность до 3000 л. с., что примерно вдвое превышало мощность выпускавшихся до этого паровозов Эу и СУ. Вскоре стали строиться и первые серийные тепловозы Э3”, магистральные грузовые электровозы Со, ВЛ19, ВЛ22, паровозы ЭР СО и СОк. Были созданы опытный пассажирский электровоз типа 2-3-2 ПБ, высокоскоростные паровозы 2-3-2 двух типов, развивавшие скорость до 180 км/ч.
В 1935 г. была решена проблема повышения конструкционных скоростей паровозов, в результате в 1936 г. скорости некоторых паровозов были значительно повышены - например, у паровоза ФД с 60 до 85 км/ч. Если средняя мощность локомотива в 1932 г. была 1170 л. с., то в 1937 г. она уже составляла 2060 л. с. Иными словами, она возросла более чем в 1,8 раза. К 1941 г. отечественный паровозный парк по среднему возрасту был существенно обновлен.
После войны были созданы новые типы паровозов 1-5-0 серии Л, 1-5-1 серии ЛВ, 2-4-2 серии П36, соответствующие по основным показателям лучшим образцам того времени. Строится ряд новых в конструктивном отношении образцов мощных паровозов типа 1-5-2 в нескольких разновидностях, сочлененные паровозы 1-3+3-1 и 1-4+4-2. Однако, несмотря на эти усовершенствования паровозов, введение иных видов тяги давало огромный экономический эффект при сокращении расходов на топливо, коренным образом изменяло условия эксплуатации, позволяя увеличить вес поезда и его скорость, повысить производительность труда.
В течение восьми послевоенных лет были созданы отечественные тепловозы ТЭ1, ТЭ2, ТЭ3, быстро освоенные железными дорогами. Они явились базой для постройки еще более мощных тепловозов мощностью до 3000 л. с. в секции (ТЭ 10).
Удельная мощность локомотива, приходящаяся на единицу веса, увеличилась в 3 раза: с 8 до 24 э.л.с./т. Существенно снизились показатели удельного расхода топлива: со 180 -185 у ТЭ1 до 160 -165 т/э.л.с-ч у ТЭ10. Внедрение в 1950 г. новой технологии ремонта экипажной части повысило пробеги тепловозов между подъемочными ремонтами с 30 тыс. до 80 - 100 тыс. км.
Первые тепловозы 2ТЭ116 (рис. 23) с электрической передачей переменно-постоянного тока и четырехтактным двигателем Д49 мощностью 2250 кВт (3060 л.с.) в секции были выпущены в 1971 г. В 1978 г. началось их серийное изготовление. Первые тепловозы 2ТЭ121 с электрической передачей переменно-постоянного тока с дизелем типа Д49 мощностью 2940 кВт (4000 л.с.) были построены в 1979 г.
Рис. 23. Магистральный тепловоз 2ТЭ116
В конце 1950-x гг. было построено около l00 магистральных двухсекционных тепловозов ТГ102 с гидравлической передачей типа 2(2-2) мощностью 4000 л. с., успешно работающих в эксплуатации с пассажирскими и грузовыми поездами, и несколько опытных образцов мощностью 4000 л. с. в шестиосной секции с гидравлической передачей (пассажирские ТГП50 и грузовые ТГ106). По общему количеству и общей мощности построенных тепловозов с гидравлической передачей наша страна в начале 1960-х гг. была впереди других стран. В 1960 г. были выпушены тепловозы ТЭП60 с конструкционной скоростью 160 км/ч и опорно-рамным подвешиванием электродвигателей, а затем ТЭП70 (рис. 24).
Рис. 24. Скоростной пассажирский тепловоз ТЭП70БС
В 1953 г. на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ) создается первый отечественный восьмиосный электровоз постоянного тока Н8(ВЛ8), который по конструкции экипажной части и электрооборудованию, а также электрической схеме являлся крупным отечественным научно-техническим достижением. В 1959 г. создан первый отечественный магистральный электровоз переменного тока с игнитронными выпрямителями, выгодно отличающийся от зарубежных образцов.
Удельное соотношение мощности и веса в конце 60-х годов для магистральных типов тепловозов с гидравлической передачей находилось на уровне 3- 3,5 кг/л. с. Для пассажирских тепловозов большой мощности оно составляло 1,5 - 2 кг/л. с. Долговечность элементов конструкции составляла 20 000 ч.
Быстрым ростом удельной мощности характеризуется и развитие электровозов. Если у первых отечественных электровозов она составляла 15,5 кВт/т, то у электровозов переменного тока ВЛ60 и ВЛ80 она достигла 34 кВт/т, т. е. увеличилась приблизительно в 2 раза.
Применение полупроводниковых (кремниевых) вентилей дало возможность создать не только более совершенные выпрямительные устройства электровозов однофазного тока (ВЛ60пк в 1962 г. и ВЛ80к в 1963 г.), но и новые типы электродвигателей, где функции коллектора выполняются вентильными устройствами. В течение 1959-1964 г.г. НЭВЗ для линий переменного тока выпускал шестиосные электровозы ВЛ60 с ртутными выпрямителями – игнитронами, но уже в 1961 г. завод построил два электровоза ВЛ60п с кремниевыми полупроводниковыми выпрямителями.
В 1963 г. НЭВЗ осуществил выпуск восьмиосных электровозов переменного тока ВЛ80к, затем в 1967 г. электровозов ВЛ80т с реостатным торможением и в 1974-1975 г.г. – ВЛ80р с рекуперативным торможением. Этим же заводом создан и выпущен двенадцатиосный электровоз ВЛ85 мощностью 10000 кВт с рекуперативным торможением. В 1966 г. создан и в 1967 г. испытан мощный электровоз ВЛ82 двойного питания.
С 1957 по 1980 г. практически не изменялась расчетная сила тяги электровозов постоянного тока (46 тс у электровозов ВЛ8 и ВЛ10 и 50 тс у электровозов ВЛ10у с нагрузкой от оси локомотива на рельс 25 т). На линиях переменного тока повышение силы тяги на 33 % достигнуто в 1964 г. за счет перехода от шестиосных электровозов ВЛ60 к восьмиосным ВЛ80. Далее сила тяги электровозов переменного тока также не изменялась. Практически отсутствие прироста силы тяги обусловило низкие темпы роста весовой нормы грузовых поездов, а, следовательно, и их среднего веса, который на электрифицированных линиях за 20 лет увеличился на 22 %, а в период с 1975 по 1980 г. всего на 6%, в основном за счет удлинения станционных путей. Иными словами, в этот период рост объема перевозок происходил не за счет увеличения мощности локомотивов, а за счет резервов пропускной способности участков.
Ограничение веса поезда по силе тяги локомотивов в 1980-х годах привело к предельно высокому уровню загрузки основных направлений сети железных дорог и изменению условий эксплуатации. Работа локомотивов на пределе использования силы тяги по сцеплению при движении по тяжелым элементам профиля пути с отклонением режима движения от расчетного вызывала увеличение повреждаемости узлов моторно-колесного блока электровозов, повышение износа рельсов, засорение балластного слоя песком, снижение скорости движения. Появление на сети в конце 1980-х годов серийно выпускаемых моделей новых мощных современных тепловозов и электровозов (ТЭ136, ТЭП80, ВЛ15, ВЛ85) было связано с необходимостью повышения веса поездов в условиях дефицита пропускной способности.
В 1990-х годах низкая эффективность использования верхнего строения пути с рельсами Р75 при снижающихся объемах тонно-километровой работы брутто стала сдерживать постройку локомотивов с большими осевыми нагрузками (более 30 тс).
Широкое распространение получил принцип секционирования локомотивов – работа по системе многих единиц. Особенно эффективно секционирование локомотивов при наличии параллельных весовых норм, когда вес поездов находится в широком диапазоне (от 2,5 – 3,0 тыс. т до 12 – 18 тыс. т).
На перспективных электровозах определилась целесообразность применения асинхронного тягового привода. Технико-экономические преимущества такого привода подтвердились отечественным и зарубежным опытом. Применение асинхронных тяговых двигателей вместо коллекторных постоянного (пульсирующего) тока позволяет увеличить осевую мощность с 800 – 1000 до 1200 – 1400 кВт, коэффициент использования сцепной массы с 20 до 35 %, снизить затраты на ремонт и обслуживание на 15 – 18 %. Коэффициент использования мощности электровозов переменного тока с асинхронным приводом близок к единице. Альтернативой асинхронному может быть вентильный (синхронный) тяговый привод. Однако пока распространено мнение, что создание электровозов с вентильным приводом может рассматриваться только как вынужденное решение на период освоения отечественной промышленностью выпуска силовых полупроводниковых приборов, необходимых для статических преобразователей частоты и числа фаз, питающих асинхронные тяговые двигатели.
Создание подвижного состава с бесколлекторным приводом требует дальнейших исследовательских и конструкторских работ, а также времени для проверки принимаемых решений в опытной эксплуатации. Кроме того, необходимо освоение производства российской промышленностью ряда новых комплектующих изделий, материалов и прежде всего – современных силовых полупроводниковых приборов, создание устройств локомотивной автоматики и микропроцессорной техники.
В результате поиска альтернативных источников энергии ВНИИЖТом в тесном взаимодействии с СНТК им. Кузнецова (г. Самара), ОАО «УралКриоМаш» и другими предприятиями транспортного машиностроения создан первый отечественный газотурбовоз на сжиженном природном газе. На нем установлен двухконтурный газотурбинный двигатель НК-361 мощностью 8300 кВт, который базируется на агрегатах авиационного двигателя военного применения. Такой двигатель заменяет 3 современных дизеля, используемых в грузовом тепловозостроении.
Это самый мощный в мире, абсолютно экологически чистый вид тягового подвижного состава, позволяющий за счет использования криогенного природного газа сократить эксплуатационные затраты почти в 2 раза. В июле 2008 г. впервые в мировой практике газотурбовоз ГТ1 в опытной поездке от станции Смышляевка до станции Курумоч Куйбышевской железной дороги провел грузовой поезд весом 3084 т.
Как мы видим, мощность локомотивов постоянно возрастает. При установлении весовых норм грузовых поездов общепринятым мнением считается более полное использование мощности локомотивов. При этом не учитывается, что уменьшается скорость движения, а с ней – и пропускная способность участков. С увеличением длины составов возрастает число и объем переработки вагонов на технических станциях. Повышение веса поездов неблагоприятно сказывается на состоянии локомотивов, пути и безопасности движения. Т.е. на смену безоглядному повышению веса поездов должны прийти оптимизация веса и скорости движения поездов, учет приведенных выше факторов, эффективное использование пропускной и провозной способности участков, ликвидация «переломов» весовой нормы в пути следования поездов.