CC BY
258
Общетехнические и социальные проблемы
174
работающая в режиме реального времени, а также знания электромеханика о состоянии элементов системы. Совокупности этих данных достаточно для сужения круга поиска вплоть до единственного элемента.
Своевременное обнаружение и быстрое устранение отказов позволяет избежать экономических потерь, связанных с простоем поездов.
Библиографический список
1. Основы технической диагностики. В 2-х кн. Кн. 1. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза / ред. П. П. Пархоменко. - М. : Энергия, 1976. - 464 с.
2. Предупреждение и устранение неисправностей в устройствах СЦБ / Б. Д. Перникис, Р. Ш. Ягудин - М. : Транспорт, 1984. - 224 с. - ISBN 5-277-02189-2.
УДК 629.422(075)
А. А. Тимофеев
ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ПАРОВОЗОВ С СОВРЕМЕННОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ
Детально показаны основные достоинств и недостатки паровозов с точки зрения альтернативного локомотива и указаны причины его низкого к.п.д. на основе проведенного анализа основных потерь теплоты.
паровоз, потери теплоты, альтернативные двигатели, к.п.д.
Введение
На сети железных дорог РФ основными видами локомотивов в настоящее время являются электровозы и тепловозы. Паровозы используются лишь в ретропоездах и на хозяйственных работах, в основном как отопительные котельные установки (мобильные котлы).
У каждого локомотива есть свои достоинства и недостатки и каждый удобен и выгоден только в определенном конкретном месте работы. Универсальный локомотив вряд ли можно сконструировать, так как существуют слишком разные требования, предъявляемые к той или иной тяговой единице. Поэтому нельзя, создавая определенный новый вид локомотива, абсолютно отказываться от остальных, вытесняя их со всех возможных участков работы, как это было сделано с паровозом в 60-х годах прошлого века, поскольку при изменении экономической или иной
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
ситуации возможна альтернативная эксплуатация в определенных местах паровозов и других видов локомотивов.
Многообразие локомотивов, различающихся по потреблению топлива, назначению и др., способствует более рациональному использованию природных ресурсов в целом.
Покажем основные недостатки, характерные для паровоза:
• низкий коэффициент полезного действия, в пределах 6.. .8,5 % [1];
• потребляет большое количество воды;
• имеет трудоемкий ремонт котла;
• некомфортные условия работы локомотивных бригад;
• низкая конструкционная скорость и скорость разгона;
• загрязняет окружающую среду.
Рассмотрим все недостатки по отдельности и в обратном порядке.
1 Недостатки паровоза
Шестой недостаток, вызывающий претензии к паровозной тяге, на самом деле вполне соизмерим с другими видами локомотивов. Лучшим подтверждением этому является то обстоятельство, что на некоторых европейских курортных линиях используется паровозная тяга из-за опасения загрязнения туристических районов выбросами от тепловозов.
Дело в том, что вопрос о непомерно сильном загрязнении паровозом окружающей среды является в нашей стране устоявшимся мифом и результатом многолетней антипаровозной пропаганды, проводимой у нас в 60-х, 70-х и 80-х годах прошлого века, а также ярким примером демагогии, направленной на обывателя, далекого от железной дороги и, тем более, конструкций паровозов.
Длинный шлейф, выбрасываемый из паровозной трубы и тянущийся за поездом, является отработанным паром и имеет белый цвет. Черный дым возникает в результате неполноты сгорания топлива при неграмотном и нерациональном отоплении паровоза, при низкой квалификации или халатном отношении локомотивной бригады к работе. К сожалению, в нашей стране режимами отопления паровоза интересовались слабо, режимные карты и контрольно-измерительные приборы на газовом тракте котла отсутствовали раньше и отсутствуют сейчас, а оптимальный режим горения топлива устанавливается «на глазок» - по опыту машиниста и помощника.
Загрязнение окружающей среды тепловозом, особенно с большой степенью износа дизеля, ничуть не меньше, а напротив, тепловозный дым имеет более неприятный и едкий запах. Сравнивать можно только лишь с электровозом - у него отсутствуют вредные выбросы в атмосферу. Однако не следует забывать, что в России около 80 % электростанций, питающих
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
176
контактную сеть, - тепловые, которые сжигают органическое топливо и также загрязняют окружающую среду. К тому же данные выбросы -точечные, расположены в густонаселенных районах и какой бы высоты ни была труба, особенно при отсутствии ветра, дым не рассеется за расчетное время на расстояния большие, чем проходит паровоз с поездом за это же время, вынося вредные выбросы за черту города или населенного пункта. Поэтому загрязнение окружающей среды электровозом скрыто и на первый взгляд кажется отсутствующим, а фактически достаточно велико.
Пятый недостаток. Второй миф, активно распространяемый у нас среди широких слоев населения начиная с 60-х годов прошлого века, -низкая скорость паровоза, в пределах 40-50 км/ч. Абсурдность таких утверждений в том, что в России уже вначале ХХ века паровозы некоторых серий, например С, развивали с поездами скорость 110 км/ч, а в 30-х годах пассажирские паровозы с обтекателями ходили со скоростью свыше 150 км/ч (паровоз 2-3-2 Ворошиловградского завода - 180 км/ч). Время прохождения регулярных поездов между Санкт-Петербургом и Москвой составляло в 1913 году (паровозы серии С) 9 ч 40 мин, в 1956 году (паровозы серии П36) 9 ч 30 мин [2]. Что касается разгона с места, то благодаря большому диаметру колес пассажирские паровозы способны быстро набирать установленную скорость, не уступая тепловозам. Зарубежные высокоскоростные паровозы выпускались в большем количестве, чем у нас, и имели еще более высокие скорости.
Резюмируя сказанное, надо отметить, что данного недостатка у паровозов не существовало и не существует.
Четвертый недостаток. В отношении некомфортных условий работы локомотивных бригад надо отметить, что в нашей стране к паровозу относились как к «тяговой лошадке» и удобствами для локомотивных бригад просто никто не занимался. А когда эргономика начала рассматриваться как самостоятельная наука и стали разрабатывать дизайн органов управления и рабочих мест на локомотивах, паровозы были сняты с производства и соответственно не подлежали никакой доработке. Поэтому разработка новой с точки зрения эргономики и эстетики будки паровоза, а также органов его управления является не техническим, а финансовым вопросом.
Третий недостаток (трудоемкий ремонт котла) не является знаковым для паровоза, так как может быть в значительной мере устранен применением современного оборудования, новейших технологий, а также современного электро- и пневмоинструмента, способного облегчить труд слесарей по ремонту. Причем отметим, что другие виды локомотивов не уступают в сложности ремонта, а напротив, требуют более тонких работ, высокой точности изготовления, специального оборудования, приборов и
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
стендов и, как следствие, более квалифицированного персонала, осуществляющего тот или иной вид ремонта. К тому же после простоя более года стоимость ремонта паровоза значительно ниже, чем любого другого локомотива, а после многолетнего простоя в условиях наших железных дорог - ниже в несколько раз по сравнению с тепловозом или электровозом.
Второй недостаток (потребление большого количества воды) стал заметен после развала остатков паровозного хозяйства и особенно ощутим сейчас при следовании с ретропоездом на значительном удалении от крупных станций, имеющих водопроводные системы, способные каким-либо образом подать воду в тендер паровоза (действующие гидроколонки, пожарные гидранты, концевые водопроводные вентили с большим условным проходом и значительным напором воды и т. п.). Однако при работе паровоза в пределах станции или железнодорожного узла набор воды при наличии упомянутых устройств не представляет особой трудности. Вода является относительно дешевой и, следовательно, потребление ее паровозами в больших количествах не может быть существенной преградой при их эксплуатации, а вопрос экипировки паровоза водой является только организационным. (Стоимость воды и низкосортного топлива для паровоза в сумме меньше, чем стоимость топлива для тепловоза.)
Таким образом, указанные недостатки не являются большими и непоправимыми, а основным недостатком был и остается низкий к.п.д. паровоза. Причиной низкого к.п.д. являются большие потери теплоты, указанные ниже.
2 Причины потерь теплоты и низкого к.п.д. паровоза
Распределение потерь теплоты на паровозе описывалось не часто даже в специальной литературе, тем не менее оно рассмотрено у некоторых известных авторов. В таблице показаны потери теплоты на паровозе, которые оцениваются в различных литературных источниках по-разному.
Столбцы 1 и 7 показывают потери теплоты по данным С. П. Сыромятникова [3], [4], столбец 2 - по Г. П. Васильеву [1], столбцы 3 и 4 -по М. И. Прозоровскому [5], причем столбец 4 для паровоза ФД, столбец 5 - по Р. Джонсону [6], столбец 6 - по данным справочника
«Машиностроение» [7], столбец 7 - по изданиям А. В. Хмелевского и П. И. Смушкова [8], [9], столбец 9 - по Н. К. Прозорову [10].
Оценивая результаты исследований потерь теплоты, полученные в разные годы на различных сериях паровозов, можно сделать вывод, что в целом порядок основных потерь теплоты у них отличается незначительно
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
178
(кроме служебных потерь). При рассмотрении паровоза главной потерей всегда является потеря теплоты в его паровой машине, составляющая обычно более 50 % от теплоты полного сгорания топлива.
Надо отметить, что потери, указанные в таблице и внесенные в справочники и учебники по паровозам, тем не менее носят оценочный и весьма приближенный характер, поэтому иногда имеют расхождения даже в пределах одного источника, бывают в сумме не равны 100 %; часто имеют место неизвестные или слишком завышенные потери. К тому же различные методики расчета потерь и отличающиеся их названия, принятые в разные годы, вносят существенную путаницу при их анализе.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/2
ТАБЛИЦА. Потери теплоты на паровозе
Основные составляющие части потери теплоты Поте] эи теплоты, %
№ 1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9
По котлу Я. т В топке Ях+Ям = 5,4+10= 15,4 8 8 Ях+Ям = 4,7+15,6 =20,3 Ях = =0,6-0,9 Ях+Ям = 0,6+16,3 =16,9 Ях+Ям = 2+2=4 25-50 при Яун = 20-30 8 8
Я сл Служебные потери (на собственные нужды) 6 3 3 4,8 при Ян = 2,7 3,3 1 6,5 6,5
Я ох От охлаждения 2 2 2,4 2,8-3,3 1 1,5 1,5
Я ух С уходящими газами 21,8 18 18 (15-20) 12,3 11,1 Яух+Яун 15-15-30 18 17-18
Iqi Суммарные по котлу 43,2 31 31 39,8 34,1-34,6 36 25-50 34 33-34
По паровой машине Я тр На трение X Ятр1+Ятр2 1,5+1,5=3 Ятр1+Ятр2 =1+1=2 X 1,2 3 1,5-2 2 1,5-2
Я ут От утечек (общие с котлом) X 5-7 5 X 5,8 3 5 5 5
Я П С уходящим паром и теплообменом X 53 55 q„+AL= 60,2 51,7 51 52-53 53 52-53
1Я2 Суммарные по машине X 61-63 62 X 58,7 57 58,5- 60 60 58,5- 60
AL Полезная работа X 6-8 7(6-8) X 6-8 7 6-7 6 6-8,5
Xqi+ AL Всего - 98-102 100 100 100 100 - 100 97,5- 102,5
Примечание: х - неизвестная величина.
СШцетехнические и социальные проблемы
Общетехнические и социальные проблемы
180
3 Переоценка паровоза в современных условиях
Долгое время к.п.д. паровоза являлся основным аргументом против эксплуатации паровозов на сети отечественных железных дорог, при этом абсолютно не учитывалась рентабельность, что приводило к неправильной оценке работы данного класса локомотивов. Отметим, что у последнего советского паровоза серии П36 к.п.д. составлял уже 9,2 %, кроме того, велись разработки паровозов с различными техническими устройствами, способными повысить этот к.п.д., что замалчивалось при прекращении в 1956 году выпуска паровозов в нашей стране.
В современных экономических условиях паровозы следует рассматривать обязательно в конкретном месте работы при конкретных обстоятельствах. Например, при учете потерь в смежных железнодорожных службах или отраслях промышленности (в основном топливно-энергетическое хозяйство), а также при учете затрат на эксплуатацию и ремонт различных видов локомотивов может получиться, что при определенных условиях паровоз становится более рентабельным видом локомотива, чем другие.
Для конкретизации сказанного приведем пример. То, что использование электровозов на малодеятельных линиях и подъездных путях нерентабельно из-за больших первоначальных капиталовложений и больших расходов на содержание контактной сети, тяговых подстанций и др., является общеизвестным фактом. А то, что эксплуатация тепловозов в определенных условиях также нерентабельна, известно лишь узкому кругу специалистов железнодорожного транспорта.
Так, использование тепловозов в каменноугольных бассейнах нашей страны с учетом транспортировки дизельного топлива на экипировочные пункты нерентабельно, но продолжается из-за сложности реконструкции и нежелания перестраивать на этих участках сложившуюся тепловозную тягу. К тому же эксплуатация тепловозов выгодна нефтяным компаниям. Из-за личных интересов и амбиций представителей бизнеса и местных администраций порой и электрификация проводится в таких местах, где прибыль от нее весьма сомнительна, и т. п.
Поэтому, несмотря на низкий к.п.д., паровоз может иметь определенную нишу в общей структуре локомотивного хозяйства, так как обладает рядом достоинств. Рассмотрим основные из них.
4 Достоинства паровоза
• Имеет практичный двигатель на твердом топливе (при этом возможно использование низкосортного топлива, в том числе дров, сланцев, торфа).
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
СВбщетехнические и социальные проблемы
• Простота и надежность конструкции и, соответственно, долговечность.
• Более низкая по сравнению с тепловозом и электровозом стоимость изготовления.
• Более быстрое реанимирование и ввод в эксплуатацию после длительного простоя.
• Низкие нагрузки от оси на рельс.
• Хорошая тяговая характеристика.
• Автономен, так как не требует контактной сети.
• Имеет наглядность дефектов из-за открытости конструкции.
• Возможно применение не как транспортного средства (мобильные отопительные котельные и т. п.).
Основное преимущество паровоза перед другими локомотивами заключается в способности сжигать практически все, что подвержено горению.
В современных условиях это качество играет значительную роль, так как на территории предприятий железнодорожного транспорта ежегодно накапливается огромное количество твердых и жидких (нефтепродукты) отходов, загрязняющих окружающую среду и требующих утилизации. Гниение и просачивание в почву этих веществ приносит больше вреда, нежели продукты их сгорания и возможные при этом выбросы вредных веществ в атмосферу. Многие отходы способны сгорать в топке паровоза.
5 Топливный кризис
По данным института Worldcoal (USA), запасов нефти в мире осталось на 65 лет, газа на 80 лет, угля на 200 лет. По другим источникам, даже с учетом геологоразведки, прогнозы по запасам нефти и газа еще менее оптимистичны.
Доля выработки электроэнергии на угле в начале этого века в США достигала 52 %, в Германии - 54 %, в Китае - 72 %, в Польше - 94 %. НИИ экономики энергетики РАО «ЕЭС России» опубликовал баланс топлива при производстве электроэнергии в 2002 году. Он составил для России: угля - 18,6 %, природного газа - 51 % [5].
При возрастающей стоимости нефтепродуктов и увеличении экспорта газа потребление угля ежегодно будет увеличиваться. Сложившиеся обстоятельства заставляют пересмотреть имеющиеся представления об использовании топлива на железнодорожном транспорте. При этом наиболее подходящим видом локомотива на твердом топливе является паровоз.
Таким образом, в настоящее время паровоз может использовать наиболее дешевое топливо (уголь) или практически бесплатные отходы,
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
182
сократить расходы на утилизацию быстрорастущего количества отходов предприятий железнодорожного транспорта, сократить загрязнение железной дороги твердыми и жидкими отходами и, соответственно, окружающей среды. При этом предприятия железнодорожного транспорта могут получать дополнительный доход от утилизации отходов других промышленных предприятий, например предприятия автотранспорта, что будет способствовать улучшению экологии в целом.
Заключение
В ХХ1 веке наступает время переоценки незаслуженно забытых изобретений и устройств, в первую очередь это относится к альтернативным двигателям. Все больше используют многократно обруганные ранее, но доработанные сейчас с использованием новейших технологий ветряные двигатели, а также энергию приливов, биогаз, геотермальную энергию, гелиосистемы и др. Паровая машина также является недоработанным альтернативным двигателем.
Непредвзятое отношение к паровозам поможет более плавно перейти к использованию твердого топлива и утилизировать отходы, что будет способствовать сбережению такого ценного сырья, как нефть.
Библиографический список
1. Паровоз, его устройство, содержание и ремонт / Г. П. Васильев. - М. : Трансжелдориздат, 1937. - 816 с.
2. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. Т. 1. - СПб., 2001. - 320 с.
3. Паровоз / С. П. Сыромятников. - М. : Трансжелдориздат, 1934. - 1060 с.
4. Тепловой процесс паровоза / С. П. Сыромятников. - М. : Издание Академии наук СССР, 1955. - 603 с.
5. Пособие для помощника паровозного машиниста / М. И. Прозоровский. - М. : Трансжелдориздат, 1946. - 484 с.
6. Паровоз. Теория, эксплуатация, экономика, сравнение с тепловозами / Р. Джонсон; пер. с англ.; ред. А. А. Чирков. - М. : Гос. науч. тех. изд.-во машиностроительной литературы, 1947. - 502 с.
7. Машиностроение : энциклопедический справочник. Т. 13, разд. 4
«Конструирование машин». - М. : Гос. науч.-техн. изд. машиностроительной литературы, 1949. - 732 с.
8. Паровозы. Устройство и обслуживание / А. В. Хмелевский. - 2-е изд. - М. : Государственное транспортное железнодорожное издательство, 1955. - 496 с.
9. Паровоз. Устройство, работа и ремонт / А. В. Хмелевский, П. И. Смушков. - 2-е. изд. - М. : Транспорт, 1979. - 416 с.
10. Паровозы. Устройство, работа, ремонт / Н. К. Прозоров, М. В. Вигдорчик, Э. К. Гребенкин. - М. : Транспорт, 1986. - 468 с.
11. World coal magazine published by: Palladian publications limited.
http://www.worldcoal.com.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
