ОБОСНОВАНИЕ ВВОДА В ЭКСПЛУАТАЦИЮ ЭЛЕКТРОВОЗОВ 2ЭС4К НА ДОНЕЦКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.423.1

КРИВОШЕЯ Ю.В., канд. техн. наук, доцент (Донецкий институт

железнодорожного транспорта) КРИВОШЕЯ Д.С., старший преподаватель (Донецкий институт

железнодорожного транспорта) ЗАГРИБЕЛЬНЫЙ Г.В., машинист-инструктор (локомотивное депо Ясиноватая ГУП

«Донецкая железная дорога»)

Обоснование ввода в эксплуатацию электровозов 2ЭС4К на Донецкой железной дороге

Krivosheya Y.V., associate professor (DRTI) Krivosheya D.S., senior lecturer (DRTI)

Zagribelniy G.V., driver-instructor (locomotive depot Yasinovataya SUE "Donetsk Railway")

Substantiation for the commissioning of 2ES4K electric locomotives on the Donetsk railway

Введение

Для эффективной работы предприятий металлургического

комплекса, угольной и химической отраслей необходимо иметь развитую инфраструктуру. Основным

предприятием, обеспечивающим

перевозку сырья для металлургических предприятий, топливо-энергетических ресурсов и готовой продукции является железная дорога.

Для обеспечения своевременной бесперебойной и безопасной доставки грузов на Донецкой железной дороге стоит острая необходимость обновить тяговый подвижной состав.

Анализ последних исследований и публикаций

Единственной серией грузовых электровозов постоянного тока на Донецкой железной дороге с 1991 и по 2002 гг. оставался электровоз ВЛ8. С 2002 г. осуществлялись попытки обновить крайне устаревший

локомотивный парк. Так, в 2002 г. в локомотивное депо Ясиноватая поступил электровоз ДЭ1 №009, произведенный на Днепропетровском электровозостроительном заводе.

Однако, в процессе эксплуатации, были выявлены несовершенные

конструктивные и схемотехнические решения, касающиеся надежности электроники электровоза, низкой ремонтопригодности как отдельных узлов локомотива, так и электровоза в целом.

В 2009 г. на Донецкую железную дорогу поступил первый электровоз 2ЭЛ4, являющийся модификацией электровоза 2ЭС4К «Дончак» производства НЭВЗ. От 2ЭС4К он отличается незначительно некоторыми изменениями в кабинах управления. До 2014 г. на дорогу поступило 4 таких электровоза, которые

эксплуатировались в локомотивных депо Красный Лиман и Ясиноватая.

Генеральным планом «УЗ» была предусмотрена полная замена до 2016 г. электровозов ВЛ8 на современные

локомотивы. На Донецкую железную дорогу должно было поступить 7 электровозов 2ЭС10 и более 100 электровозов 2ЭЛ4. Для сервисного обслуживания этих локомотивов в локомотивном депо Ясиноватая был построен современный цех ремонта электровозов, укомплектованный всем необходимым оборудованием.

По известным нам причинам в 2014 г. вся программа модернизации и обновления локомотивного парка Донецкой железной дороги была свернута.

Таким образом, на данный момент на Донецкой железной дороге до сих пор эксплуатируются электровозы постоянного тока серии ВЛ8, которые физически и морально устарели. Последний электровоз серии ВЛ8 был выпущен в 1967 г. За время эксплуатации электровозов этой серии никаких существенных модернизаций, направленных на улучшение условий работы локомотивной бригады, усовершенствования узлов и агрегатов локомотива, изменения электрической схемы не проводилось. Износ и старение электровоза достигло критического значения. Поэтому необходимо обновление парка грузовых электровозов Донецкой железной дороги.

Цель работы

Обосновать выбор оптимальной серии электровоза постоянного тока для выполнения грузовых перевозок на Донецкой железной дороге.

Донецкая железная дорога в границах Донецкой Народной

Республики имеет такие особенности:

- небольшая протяженность обслуживаемых участков;

- небольшая протяженность межстанционных перегонов;

- отсутствие затяжных подъемов и спусков круче 18%о.

В связи с этим для сравнения были выбраны электровозы ВЛ8 и 2ЭС4К «Дончак»; электровоз большой мощности 2ЭС10 «Гранит» не рассматривался.

Основная часть

В локомотивном депо Ясиноватая по состоянию на 01.01.2020 г. в эксплуатации находится 30

электровозов серии ВЛ8. С 2010 г. ни одному из них не проводился заводской ремонт. В настоящее время эти электровозы эксплуатируются лишь в Украине, Грузии, Азербайджане, Армении и Абхазии.

Количество заходов на неплановый ремонт электровозов ВЛ8 в 2019 г. составило 52 случая, в 2018 г. -33 случая, а в 2017 г. - 21 случай (рис. 1).

За последние годы было допущено заходов на неплановый ремонт по депо в % от общего числа по видам оборудования (рис. 2):

- тяговые двигатели - 42,3 %;

- вспомогательные машины -30,7 %;

- электроаппаратура - 15,4 %;

- прочие - 11,6 %.

Кроме того, на плановых ремонтах производилась неплановая замена неисправного оборудования (таблица 1).

Рис. 1. Динамика неплановых ремонтов электровозов ВЛ8 за 2017 - 2019 гг.

Таблица 1

Неплановая замена оборудования элект] ювозов ВЛ8 при плановых ремонтах

Наименование оборудования Количество случаев

2017 г 2018 г 2019 г

ТЭД 41 54 98

Вспомогательные машины 32 37 43

Электроаппаратура 32 34 58

Колесные пары 46 50 94

Приборы безопасности - - -

Прочее оборудование 28 51 64

Всего 179 226 307

Рис. 2. Распределение неплановых ремонтов по группам оборудования

Таким образом, анализ показателей работы электровозов серии ВЛ8 показывает, что износ основных узлов достигает критической отметки и при дальнейшей эксплуатации этих электровозов количество

неисправностей будет расти.

Для оценки тяговых

характеристик электровозов при ведении поездов необходимо учесть несколько параметров: протяженность участков, план и профиль пути, установленные скорости движения по участку, длину приемоотправочных путей на промежуточных и конечных станциях.

В работе была поставлена задача провести тяговые расчеты на участке Ясиноватая - Иловайск - Ясиноватая для электровозов ВЛ8, 2ЭС4К, для чего было выполнено:

- рассчитана масса состава и проведена ее проверка;

решена тормозная задача; построены диаграмма удельных равнодействующих сил и зависимости скорости движения поезда от профиля пути;

- построены кривая времени и токовая функции пути.

Технические данные электровоза ВЛ8 [1]:

расчетная сила тяги: 456 кН; расчетная скорость: 43,3 км/ч; расчетная масса: 184 т; конструкционная скорость: 80 км/ч; сила тяги при трогании с места: 595,5 кН; длина локомотива: 27,52 м; число движущих колесных пар: 8. Технические данные электровоза 2ЭС4К [2]:

расчетная сила тяги: 461 кН; расчетная скорость: 52,8 км/ч; расчетная масса: 192 т; конструкционная скорость: 120 км/ч; сила тяги при трогании с места: 641 кН; длина локомотива: 35 м;

число движущих колесных пар: 8.

На участке Ясиноватая -Иловайск, в соответствии с профилем пути, принимаем:

крутость расчетного подъема: ip = 7,9 %%; длина расчетного подъема: Sp = 2182 м; крутость проверяемого подъема: inp = 8,5 %; длина проверяемого подъема: Snp = 1489 м; крутость проверяемого спуска: iOT = -7,0 %%; крутость раздельного пункта: id = 4,5 %. На участке Иловайск - Ясиноватая, в соответствии профилю, принимаем: крутость расчетного подъема: ip = 6,4 %; длина расчетного подъема: Sp = 4824 м; крутость проверяемого подъема: inp = 7,0 %; длина проверяемого подъема: Snp = 1587 м; крутость проверяемого спуска: iOT = -8,5 %%; крутость раздельного пункта: id = 5,4 %.

Минимальная длина приемо-отправочных путей на участке Ясиноватая - Иловайск составляет 950 м. Составы поездов, курсирующих на данном участке, состоят из четырехосных вагонов, средний вес которых составляет 74 т. Все оси состава являются тормозными.

Все расчеты выполнены в программе MS Excel.

Масса состава поезда

определяется по формуле [3]:

Q =

FKp - P(W0 + ip )g

(W + ip) g

(1)

где ¥Кр - расчетная сила тяги локомотива при принятии расчетной скорости;

Р - расчетная масса локомотива; w0 - основное удельное сопротивление локомотива; /р - расчетный подъем; w0 - основное удельное сопротивление состава поезда;

g - ускорение свободного падения. Основное удельное сопротивление локомотива определяется по формуле:

w'0 = 1,9 + + 0,003у 2, Н/кН, (2)

где w0 - основное удельное сопротивление локомотива;

Ур - расчетная скорость локомотива.

Основное удельное сопротивление w0 в четырехосных груженых вагонах на подшипниках качения определяется по формуле:

н" = 0,7 + -

3 + 0>_ + 0,0025у 2

^04

4о4 = "7"

, (3)

(4)

где q04 - средняя масса, приходящаяся на ось четырехосного вагона, т/ось;

ц4 - масса брутто четырехосных вагонов.

Проверка расчетной массы состава на возможность надежного преодоления инерционного подъема, а также на возможность трогания с места на станциях выполнена по методике, приведенной в [3].

Далее выполнена проверка расчетной массы состава на длину приемоотправочных путей. Длина поезда 1п, м, определяется по формуле

[3]:

1п = 1л +15 Ш4 ,

(5)

Результаты расчетов массы состава и длины приемоотправочных путей приведены в таблицах 2, 3.

Проверки массы состава показали, что поезд во главе с электровозом 2ЭС4К надежно преодолеет расчетный и инерционный подъемы, а трогание с места и разгон поезда обеспечены на всех раздельных пунктах участка.

По рассчитанным данным для электровозов ВЛ8 и 2ЭС4К построены диаграммы удельных

равнодействующих сил для режима тяги, холостого хода и режима служебного торможения.

Решение тормозной задачи показало, что максимально допустимая скорость движения поезда на наиболее крутом спуске участка при заданных тормозных средствах и принятом тормозном пути составляет 70 км/ч как для электровоза ВЛ8, так и для электровоза 2ЭС4К.

По данным диаграмм

равнодействующих сил построены кривые скорости и времени

движения поезда t=f(s) для обоих электровозов. По кривым времени определено расчетное время движения поезда по участку, результаты сведены в таблицу 4.

Полные затраты электроэнергии электровозом на заданном участке А, кВт'ч, выполняем путем суммирования расходов энергии по отдельным промежутками времени [3]:

где 1л - длина локомотива, м;

т4 - количество четырехосных вагонов в составе груженого поезда;

15 - условная длина четырехосных вагонов, м.

Здесь необходимо учесть запас длины на неточность установки поезда относительно середины (оси) станции, поэтому к 1п прибавляем 10 м.

А = А + А

(6)

где А' - расход электроэнергии на тягу поезда, кВт'ч;

А'' - расход электроэнергии на собственные нужды электровоза, кВт'ч.

Удельные затраты электроэнергии на единицу выполненной перевозочной работы, а, кВт ч/(т км) определяются по формуле [3]:

(расстояние между осями станций заданного участка), км.

Все расчеты по определению расхода электроэнергии сведены в таблицы 2 и 3.

Таблица 2

Результаты расчетов для электровоза ВЛ8_

Участок Длина поезда, ln, м Количество вагонов в составе, m, шт Вес поезда, Q, т Полные затраты электроэнергии, А, кВт'ч Удельный расход электроэнергии, а, (кВт*ч)/т*км

Ясиноватая -Иловайск 938 60 4400 1883,51 10,33

Иловайск -Ясиноватая 938 60 4400 2882,5 15,82

1000 A (п,

a =-, (7)

Q-L v '

где L - длина участка, для которой выполнены тяговые расчеты

Таблица 3

Результаты расчетов для электровоза 2ЭС4К

Участок Длина поезда, ln, м Количество вагонов в составе, m, шт Вес поезда, Q, т Полные затраты электроэнергии, А, кВт'ч Удельный расход электроэнергии, а, (кВт'ч)/т'км

Ясиноватая -Иловайск 945 60 4400 2020,01 10,5

Иловайск -Ясиноватая 945 60 4400 3102,96 16,13

Таблица 4

Расчетное время движения поезда по участкам

Серия электровоза Участок Длина, км Расчетное время, мин

ВЛ8 Ясиноватая - Иловайск 40,5 54,0

ВЛ8 Иловайск - Ясиноватая 40,5 51,8

2ЭС4К Ясиноватая - Иловайск 40,5 53,5

2ЭС4К Иловайск - Ясиноватая 40,5 50,6

Рис. 3. Тяговые расчеты для поезда с электровозом 2ЭС4К на участке Иловайск - Ясиноватая

Согласно данным таблиц 2, 3 полные затраты электроэнергии электровозом 2ЭС4К на

рассматриваемых участках больше, чем у электровоза ВЛ8 на 7 %, а удельные затраты - на 3 %. Это объясняется большей мощностью локомотива 2ЭС4К. Кроме того, 2ЭС4К имеет более высокую расчетную скорость, что позволит повысить пропускную способность участка.

Выводы

На основании проведенных расчетов и анализа всех характеристик локомотивов можно сделать такие выводы:

1) эксплуатационный ресурс электровозов серии ВЛ8 исчерпан. Дальнейшая эксплуатация этих локомотивов не только нецелесообразна, но и опасна из-за их критического технического состояния. В кратчайшие сроки необходима замена устаревших и морально, и технически электровозов серии ВЛ8;

2) тяговые характеристики электровоза 2ЭС4К достаточны для вождения грузовых поездов на Донецкой железной дороге. А если учитывать длину приемоотправочных путей, то даже избыточны. Однако это не является недостатком, так как создает предпосылки для модернизации станционного хозяйства дороги;

3) тяговые характеристики электровоза 2ЭС4К достаточны для соблюдения графика движения грузовых поездов, при этом нужно отметить, что электровозом 2ЭС4К время, затрачиваемое на проведение поезда по участку с затяжным подъемом Иловайск - Ясиноватая, на 3 % меньше, чем у электровоза серии ВЛ8. Это означает, что на более длинных участках, имеющих затяжные подъемы,

время проследования перегонов необходимо будет корректировать в сторону уменьшения;

4) электровоз 2ЭС4К имеет режим рекуперативного и реостатного торможения, тогда как электровоз ВЛ8 только режим рекуперативного торможения. Наличие реостатного торможения является большим преимуществом, так как для применения рекуперативного торможения имеются некоторые ограничения: повышенное напряжение в контактной сети, обледенение контактного провода и т. д.;

5) электровоз 2ЭС4К относится к третьему поколению локомотивов, электровоз ВЛ8 - к первому. В связи с чем последний не соответствует современному уровню развития науки и техники;

6) в локомотивном депо Ясиноватая есть оборудованный цех, предназначенный для проведения ремонта в объеме ТР-3 современных локомотивов, таких как 2ЭС4К.

7) машинисты локомотивного депо Ясиноватая работали на электровозах серии 2ЭЛ4 (аналог 2ЭС4К), а значит, сократится период обучения и адаптации для работы на новых электровозах.

Таким образом, целесообразно рекомендовать электровоз

Новочеркасского

электровозостроительного завода серии 2ЭС4К для замены морально и технически устаревшего электровоза серии ВЛ8.

Список литературы:

1 Электровоз ВЛ8. Руководство по эксплуатации / Под ред. Р. М. Майорова. - М.: Транспорт, 1982. - 320 с.

2 Электровоз магистральный 2ЭС4К. Руководство по эксплуатации / ОАО «ВЭлНИИ». - Новочеркасск, 2008.

Правила тяговых расчетов для поездной работы: Утв.: 12.05.2016 / ОАО «РЖД». - М., 2013. - 513 с.

Аннотации:

В статье приведены основные результаты тяговых расчетов для грузового электровоза ВЛ8, который эксплуатируется на сегодня на Донецкой железной дороге, и грузового электровоза третьего поколения 2ЭС4К. приведены статистические данные,

свидетельствующие об износе электровоза ВЛ8 и росте количества неплановых ремонтов. В связи с этим авторами предложено заменить устаревшие ВЛ8 на современные электровозы 2ЭС4К. Выполнены технико-экономические расчеты, подтверждающие целесообразность предложенного решения.

Ключевые слова: электровоз, тяговые расчеты, неплановый ремонт, масса поезда, длина поезда, расход электроэнергии на тягу поездов.

The article provides the main results of traction calculations for the VL8 freight electric locomotive, which is currently operated on the Donetsk railway, and the third generation freight electric locomotive 2ES4K. statistics are given indicating the wear of the electric locomotive VL8 and an increase in the number of unscheduled repairs. In this regard, the authors proposed to replace the outdated VL8 with modern locomotives of the Donchak 2ES4K. Technical and economic calculations were performed confirming the feasibility of the proposed solution.

Keywords: electric locomotive, traction calculations, unscheduled repair, train weight, train length, electric power consumption for train traction.