Использование поездов модульного типа на основе современных электровозов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Научные разработки и исследова

т

'"ооии^

Использование поездов модульного типа на основе современных электровозов

И.К. Александров,

профессор Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ), д.т.н.

В статье рассмотрены технические решения, которые позволят осуществить первый этап практического использования грузового железнодорожного поезда модульного типа. Обоснованы расчеты для двух реальных схем модульного грузового поезда.

Ключевые слова: подвижной состав, модульная схема.

Use of Trains of Modular Type on the Basis of Modern Electric Locomotives

I.K. Alexandrov

In article technical solutions which allow to carry out the first stage of practical use of a cargo railway train of modular type are presented. Calculations for two real schemes of a modular cargo train are proved. Keywords: rolling stock, modular design.

Возможность применения поездов модульного типа [1] некоторыми оппонентами оценивается как перспектива отдаленного будущего, представляющая собой очень сложную в конструктивном и технологическом отношении проблему, другие же считают предлагаемую технологию в принципе неприемлемой. Однако ни один из них не опровергает адекватность представленных теоретических зависимостей. Действительно, теория основана на известных физических закономерностях. Следовательно, появляется настоятельная потребность в проведении экспериментальных исследований, которые позволят оценить энергетическую эффективность и доказать возможность повышения грузоподъемности подвижного состава.

Уже на существующей базе электровозов вполне реально приступить к практической реализации предлагаемой схемы комплектования тяжеловесного подвижного

состава и достоверно оценить ее энергетическую эффективность. На первом этапе освоения данной технологии даже не требуется постановка дорогостоящих экспериментальных исследований. Рассмотрим два примера формирования грузового поезда, вполне доступных для реализации в современных условиях.

Допустим, что дальнейшее развитие тяжеловесных поездов будет продолжаться по традиционной схеме, то есть путем установки впереди состава локомотива все большей и большей мощности. Это неизбежно приведет не только к увеличению вероятности растяжки поездов и превышению допустимой величины сцепления колесных пар локомотива [2], но и к обрыву сцепного устройства или деформации нижней рамы первых вагонов поезда, которые рассчитаны на вполне определенные растягивающие и ударные нагрузки.

Из сказанного следует вывод, что дальнейшее развитие тяжеловесных составов возможно только на основе модульной технологии, которая позволит сохранить или даже уменьшить тяговую нагрузку на сцепное устройство в пределах допустимых значений. Кроме того, при модульной схеме появляется возможность комплектовать состав любой желаемой грузоподъемности, не вступая при этом в противоречие с законами физики, определяющими коэффициент сцепления колесной пары, и не увеличивая осевую нагрузку, а также секционную мощность локомотива, которые понижают долговечность и надежность рельсовых путей. В доказательство возможности применения предлагаемой технологии отметим, что австралийские железнодорожники уже используют супертяжеловесный модульный поезд, состоящий из восьми локомотивов, равномерно распределенных по длине состава, который насчитывает 682 вагона [3]. Иными словами, применяют восьмимодульный состав.

Первый пример

Как известно, электровозы, используемые для грузовых перевозок, состоят из двух абсолютно симметричных секций. Следовательно, разделив их, мы имеем возможность создать два модуля. Рассмотрим, каковы же преимущества такой комплектации грузового поезда.

При анализе применяем зависимости из [1] и используем условную тяговую единицу Т.Е. измерений - безразмерную величину, определяющую значение тягового усилия, необходимого для транспортировки одного груженого вагона с заданной скоростью по горизонтальному участку пути с учетом потерь на перекатывание колесных пар, аэродинамических потерь, а также в подшипниках колесных пар и подрессоренной вагонной тележке.

К сожалению, пока не было возможности для проведения натурных исследований по определению

I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (30) декабрь 2012 г.

учные разработки и исследования

т

фрикционных потерь в сцепном устройстве поезда. Поэтому в расчетах принимаем минимальную величину, которую имеют известные пары трения.

Из курса «Детали машин» известно, что минимальными относительными потерями на трение обладает шарикоподшипник. Его фрикционные потери составляют 1 % передаваемой нагрузки, то есть КПД подшипника качения равен 0,99. Допустим, что сцепное устройство вагонов достаточно совершенно и обладает аналогичной энергетической эффективностью.

Определим энергетические характеристики энергоустановки локомотива, обеспечивающего тягу 60 груженых вагонов по традиционной схеме.

Суммарное тяговое усилие 7; локомотива

ЛГ 1 60 1

Г, = У — = У —— = 82,76 Т.Е.

2 0,99' '

КПД сцепного устройства поезда

N N 60

= — = —

N 1

Е Л-

1 = 1 Л сц

1

= 0,725.

КПД сцепного устройства модуля

N N 30

Л „ = —= —

1

N 1 30

Е — Е

Лсц £,0,99'

= 0,853.

Второй пример

В настоящее время в России уже имеется небольшой опыт комплектования тяжеловесного состава с использованием спарки двух локомотивов, другими словами, че-тырехсекционного электровоза. В таком случае появляется возможность составить поезд из четырех модулей.

Проведем сопоставительные энергетические расчеты. Сначала определим энергетические характеристики энергоустановки локомотива, обеспечивающего тягу супертяжеловесного поезда, составленного из 100 груженых вагонов по традиционной схеме.

Суммарное тяговое усилие локомотива

¡VI 100 1

Т;=У^ = У—= 173,2 Т.Е. м 0,99' '

КПД сцепного устройства поезда N N 100

Л л = —

0,99 '

Определим энергетические характеристики модуля, обеспечивающего тягу 30 вагонов. Суммарное тяговое усилие 7; модуля

¡VI 30 1

Г£=У— = У —^ = 35,19 Т.Е. ы 0,99' '

у _!_ у 1

кч[ц Ь 0,99 ' Суммарное тяговое усилие модуля

¡VI 25 1

Г£ = У — = У —^ = 28,56 Т.Е. 2 £лёц и 0,99' ' КПД сцепного устройства модуля

_ N 25

Лм -

= 0,577.

= 0,875.

Как отмечалось в работе [1], КПД сцепного устройства модуля однозначно определяет и КПД сцепного устройства всего поезда, составленного из этих модулей. Это очевидно также и из представленного выше расчета: для перемещения поезда одним локомотивом требуется тяговое усилие 82,76 Т.Е., в то время как общее тяговое усилие двух модулей определяется величиной 27; = 2-35,19 = 70,38 Т.Е.

Таким образом, на основании расчета энергетический выигрыш от использования модульного поезда составит почти 13 %. Это вполне существенная величина, которую можно зафиксировать, измерив суммарную потребляемую электрическую мощность на энергоустановках поезда при первом и втором вариантах формирования подвижного состава.

После определения потребляемой электрической мощности методом обратного пересчета легко найдем до настоящего времени неизвестную нам величину псц . Вдобавок ко всему участники эксперимента с большой степенью вероятности получат возможность повысить энергоэффективность перевозок практически без каких-либо дополнительных стоимостных затрат.

N 1 25 1

Е — Е

Ь 0,99'

Энергетический выигрыш в данном случае составит около 30 %.

Как видим, расчет четырехмодульного состава позволяет зафиксировать наличие фрикционных потерь в сцепке даже при их величине менее 1 %. Допустим, что КПД сцепки гипотетически равен 0,995. Тогда КПД сцепного устройстве поезда из 100 вагонов, составленного по первой схеме, составит 76,8, а по второй - 93,6 %.

Отметим дополнительные преимущества второй схемы.

В модульной схеме существенно снижается нагрузка на одну ведущую (тяговая) ось энергетического блока при тяге состава на установившемся движении, следовательно, появляется резерв по сцеплению этой оси с рельсом при электродинамическом торможении во время торможения состава или движении его под уклон. Тем самым существенно повышается вероятность использования рекуперации энергии торможения в контактную сеть.

Хотелось бы обратить внимание разработчиков электрооборудования для энергообеспечения железных дорог [4] на то, что торможение поезда в разы более скоротечно, чем его разгон, а инерционные силы, как известно, определяются величиной ускорения. Поэтому простейшим расчетом можно показать, что силы инерции, возникающие при торможении супертяжелого поезда, многократно превышают силы сцепления головного локомотива, а значит применить электродинамическое торможение в этом случаем технически нереально.

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (30) декабрь 2012 г.

т

Научные разработки и исследова

Кроме того, тормозить состав за счет головного локомотива невозможно и по условиям безопасности движения, так как при этом процессе, особенно при движении по кривой, поезд может потерять продольную устойчивость и попросту уйти под откос. Это явление очень хорошо известно автомобилистам при транспортировании прицепа, необорудованного системой торможения.

При использовании модульной схемы указанные недостатки практически исключаются. К тому же при разработке модуля есть возможность четко увязать допустимую суммарную массу вагонов со сцепными свойствами энергетического блока, то есть оптимизировать их соотношение таким образом, чтобы электродинамическое торможение было обеспечено в достаточно широком диапазоне. Естественно, что этот эффект автоматически распространится и на весь тяжеловесный состав, сформированный из этих оптимизированных модулей.

И еще одно небольшое примечание. С целью увеличения продольной устойчивости поезда при электродинамическом торможении рационально устанавливать энергетический блок последнего модуля в хвосте состава.

Итак, по мнению автора, развитие производительности грузовых железнодорожных перевозок за счет использования локомотивов увеличенной секционной мощности с повышенными осевыми нагрузками имеет весьма ограниченные перспективы и не обеспечит принципиальное решение проблемы.

Литература

1. Александров И.К. Грузовой железнодорожный поезд модульного типа // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 7. - С. 19-24.

2. Курбасов А.С. Тяжеловесное движение грузовых поездов на российских железных дорогах: за и против // Наука и транспорт. - 2012. - № 3. - С. 15-17.

3. Книга рекордов Гиннеса [Электронный ресурс]. URL: http://rekordy-ginnesa.

4. Мизинцев А.В., Ковтун А.В. Использование энергии торможения поезда как способ экономии ресурсов на железной дороге постоянного тока // Наука и транспорт. - 2012. - № 3. - С. 34-35.

Расширение использования газа в качестве моторного топлива в Москве

В центральном офисе ОАО «Газпром» 30 октября 2012 г. состоялась рабочая встреча председателя правления Алексея Миллера и мэра Москвы Сергея Собянина.

Стороны обсудили ход реализации Соглашения о сотрудничестве. В частности, рассматривались вопросы развития и эксплуатации инфраструктуры для обеспечения газоснабжения потребителей города, в том числе территорий, вошедших в состав Москвы с 1 июля 2012 г. Было отмечено, что ввод современных энергоблоков позволит повысить надежность энергоснабжения

центральной части Москвы и эффективность выработки электроэнергии. В настоящее время ОАО «Мосэнерго», основной производитель электрической и тепловой энергии для столичного региона, ведет строительство трех парогазовых установок на ТЭЦ-12, ТЭЦ-16 и ТЭЦ-20.

Особое внимание на встрече было уделено совместной работе по расширению использования газа в качестве моторного топлива, в том числе по переводу автобусных парков столицы на природный газ. К настоящему времени определено

20 площадок для строительства в городе заправок транспорта компримированным природным газом и разработаны предложения по организации таких заправок в 11 автобусных парках Москвы. Для продолжения эффективной работы в этом направлении, синхронизации действий по развитию заправочной сети и расширению парка автотранспорта, работающего на газе, Газпром и правительство Москвы планируют заключить Соглашение о расширении использования природного газа в качестве моторного топлива. Алексей Миллер и Сергей Собянин подчеркнули, что результатом этой деятельности станет серьезное снижение затрат на пассажирские перевозки, а также улучшение экологической обстановки в Москве.

////////////////////////^^^^

Газпром и Бавария: двустороннее сотрудничество в сфере энергетики

В конце ноября 2012 г. в Мюнхене состоялась рабочая встреча председателя правления ОАО «Газпром» Алексея Миллера и Премьер-министра Баварии Хорс-та Зеехофера.

Участники встречи обсудили вопросы двустороннего сотрудничества в сфере энергетики. Были рассмотрены возможности реализации проектов в области электрогенерации на территории Германии и в частности Баварии. Особое

внимание было уделено возможным мерам, направленным на повышение инвестиционной привлекательности газовой электрогенерации в Германии.

Стороны также обсудили перспективы использования природного газа в качестве газомоторного топлива на территории Баварии. Алексей Миллер предложил Хорсту Зеехоферу рассмотреть возможность осуществления в этой сфере пилотного проекта, направленного на полную газификацию

муниципальных автобусных парков одного из крупных городов этой земли.

В декабре 2011 г. ОАО «Газпром» и руководство федеральной земли Бавария подписали Дорожную карту о сотрудничестве в области производства электрической энергии и газоснабжения. В документе закреплены намерения сторон по совместной работе на территории земли.

В феврале 2012 г. в рамках мероприятий, определенных в Дорожной карте, состоялся круглый стол с участием Газпрома и представителей государственных структур Баварии, а также крупных производителей и потребителей электроэнергии и системных операторов.

Управление информации ОАО «Газпром»

I ..ifffflrmnTr,.-. Д|Дн4Д1<

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (30) декабрь 2012 г.