CC BY
30
УДК 629.4.016.12
Возможности, перспективы и особенности модульной конструкции грузового электровоза в современных эксплуатационных условиях
B. А. Кручек, О. Р Хамидов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Кручек В. А., Хамидов О. Р. Возможности, перспективы и особенности модульной конструкции грузового электровоза в современных эксплуатационных условиях // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 1. -
C. 96-107. Б01: 10.20295/1815-588Х-2020-1-96-107
Аннотация
Цель: На участках сети ОАО «РЖД» из-за наличия большого количества пассажирских поездов практически отсутствуют грузовые перевозки. Использование на этих участках современных электровозов 2ЭС4К, 2ЭС6 и 2ЭС10 с поездами небольшого веса приведет к неэффективности их использования. Таким образом, в настоящее время для таких участков сети железной дороги необходимы грузовые электровозы с асинхронным тяговым приводом, которые способны были бы работать с поездами массой до 4000 т с большим коэффициентом полезного действия и могли бы увеличивать тяговые показатели, при возникающем росте грузопотока, для работы с поездами массой от 6000 т и выше в составе двух или трех секций. Методы: Проведены сравнение и анализ тяговых и токовых характеристик, коэффициентов полезного действия, электрических схем соединения тяговых электродвигателей, межремонтных пробегов, материальных затрат на техническое обслуживание, трудозатрат на ремонт тепловозов и электровозов, работающих в современных эксплуатационных условиях. Для расчета прочности несущей рамы консольной конструкции базового элемента перспективного электровоза применен метод конечных элементов. Результаты: Для достижения большей экономии энергорасходов для работы с поездами небольшого веса необходимы менее мощные односекционные электровозы, чем двухсекционные 2ЭС10. В случае увеличения массы поезда односекционный электровоз должен быть в максимально короткие сроки преобразован в двух- или трехсекционный. Практическая значимость: Применение электровоза модульной конструкции приведет к возможности за короткое время переформатировать одно-секционный локомотив в многосекционный вариант, а также позволит быстро отремонтировать его путем замены неисправного модуля на исправный. В качестве базового элемента электровоза принимается рама несущей консольной конструкции нового типа, на которой устанавливается силовое и вспомогательное оборудование, помещенное в пять отдельных функциональных модулей. Внешняя обшивка проектируемых модулей кузова изготавливается из легких и прочных композитных материалов.
Ключевые слова: Электровоз, грузовой, грузонапряженность, весовая норма, односекционный, двухсекционный, масса поезда, модульная конструкция, несущая рама, многосекционный, кабина, функциональный модуль, статическая нагрузка, динамическая нагрузка, безопасность.
При осуществлении грузовых перевозок по железным дорогам предпочтение отдается тепловозной тяге как автономному тяговому сред-
ству [1]. Однако при применении электрического подвижного тягового состава (ЭПС) (электровозов) появляется возможность повысить про-
пускную способность железной дороги за счет увеличения массы поезда и участковой скорости движения. Электровозы имеют более высокий коэффициент полезного действия (КПД) по сравнению с другими видами тяги. Так, в настоящее время КПД электровозов с учетом КПД электростанций и устройств электроснабжения может доходить до 40 %. Данный показатель достигается в результате применения современной преобразовательной техники и асинхронного тягового привода [2]. Преимуществом ЭПС перед тепловозной тягой является так же и то, что производственные затраты, включая техническое обслуживание и возможный внеплановый ремонт, могут быть сведены до минимального сокращения регламентных работ. Это достигается из-за отсутствия сложных технических устройств и агрегатов (например, дизель-генераторной установки, вспомогательных масло-, водо- и воздухосистем), работающих в режиме высоких температур и агрессивных сред, которые присутствуют на тепловозах [3].
В качестве примера можно привести периодичность проведения ТО-2 и ТР-1 грузовых тепловозов и электровозов [4-7].
Из таблицы видно, что по показателям периодичности проведения ТО-2 электровозы выигрывают за счет большего времени работы, что приводит к наиболее эффективному их использованию в этот период. Однако обратим внимание на тот факт, что у тепловозов больший пробег между ТР-1 по сравнению с электрово-
зами, имеющими коллекторный тяговый привод и систему реостатного регулирования скорости. Также отметим, что, несмотря на значительные пробеги между ТР-1, у тепловозов существует такой вид обслуживания как ТО-3, который предназначен для ревизии механического оборудования и дизель-генераторной установки. У электровозов обслуживание ТО-3 отсутствует, что ведет к сокращению затрат на обслуживание в целом.
Современные разработки в области силовой преобразовательной техники, а также совершенствование асинхронного тягового привода дает возможность создавать электровозы с высокими экономическими показателями по энергопотреблению и имеющих силу тяги продолжительного режима, близкую по значению к тепловозам той же мощностной категории. Так, сила тяги продолжительного режима электровоза 2ЭС10, оснащенного асинхронным тяговым приводом и современной преобразовательной техникой на полупроводниковых элементах, равна 54 800 кгс. В то же время сила тяги таких электровозов как ВЛ10, ВЛ11, 2ЭС4К, 2ЭС6 составляет от 32 000 до 44 300 кгс. Кроме того, электровоз 2ЭС10 помимо высоких тягово-энергетических характеристик имеет большие пробеги между ТО-2 и ТР-1 (см. таблицу).
Таким образом, для ЭПС, оборудованного асинхронными тяговыми электродвигателями (ТЭД) и полупроводниковыми преобразователями, свойственны более высокие тягово-
Периодичность проведения ТО-2 и ТР-1 для грузовых тепловозов и электровозов
Наименование локомотива Периодичность ТО-2 Периодичность ТР-1
2ТЭ25КМ 120 ч 75 000 км
2ТЭ25А 96 ч 75 000 км
2ТЭ116 72 ч 50000 км
2ТЭ116У 120 ч 75 000 км
2ЭС4 К 240 ч 50000 км
ВЛ10У 72 ч 28 000 км
2ЭС6 180 ч 31500 км
2ЭС10 15000 км 150000 км
энергетические характеристики, меньшее энергопотребление (по сравнению с ЭПС, использующим реостатный метод регулирования скорости) и работает с сравнительно большими пробегами между сервисным обслуживанием. На железных дорогах Российской Федерации подобного рода электровозы применяются для работы с грузовыми поездами массой от 5000 т и выше.
В рамках реализации программы развития ОАО «РЖД» для увеличения грузооборота по сети железных дорог проводятся тестовые поездки с массой состава от 9000 до 12 000 т. При этом не учитываются участки с малой грузонапряженностью, на которых помимо пассажирских и пассажирских высокоскоростных поездов обращаются и грузовые поезда. К таким участкам относится главный ход Октябрьской железной дороги. На этом участке из-за обращения большого количества пассажирских поездов грузооборот недостаточно высокий. Полностью вывести грузовые перевозки с главного хода не удается по причине грузов местного назначения, которые невозможно перевести на другие виды транспорта. Кроме грузовых поездов на подобных дорогах присутствует хозяйственное движение, в котором предусмотрена не только работа путевых машин на отдельных железнодорожных участках, но и транспортирование путевой техники и поездов хозяйственного назначения от места дислокации до места работы. Согласно распоряжению по Октябрьской железной дороге ЦТ-20 от 12.02.2018 г. [8], весовая норма для грузовых поездов на участке от станции Санкт-Петербург-Сортировочный-Московский до станции Ховрино устанавливается в размере от 3000 до 3800 т с критической массой 5200 т, но при этом по факту она не превышает 2000 т [8-10]. Учитывая имеющиеся данные, можно предположить, что электровозы с тяговой характеристикой, подобные ВЛ10 или 2ЭС4К, используют свои тяговые возможности (в особенности 2ЭС4 К) не в полной мере. Реостатная система регулирования скорости на таких локомотивах приводит к перерасходу электроэнергии из-за рассеивания энергий на промежуточных позициях контроллера машиниста в момент разгона.
Одновременно с этим данные электровозы способны работать с поездами массой до 6000 т на участках Полюстрово-Пискаревка-Выборг или Санкт-Петербург-Сортировочный-Московский-Бабаево Октябрьской железной дороги.
Таким образом, в настоящее время для рассмотренных участков сети железной дороги необходим такой грузовой электровоз с асинхронным тяговым приводом, который способен был бы работать с поездами массой от 3000 до 4000 т с наибольшей эффективностью и способный увеличивать тяговые показатели при возникающем росте грузопотока для работы с поездами массой от 6000 т и выше в составе двух или трех секций.
Основу парка грузовых электровозов, применяемых на главном ходу Октябрьской железной дороги, составляют электровозы ВЛ10 и ВЛ10У. Для электровозов ВЛ10 сила тяги продолжительного режима составляет 32 000 кгс, скорость продолжительного режима - 51,2 км/ч и осевая нагрузка - 23 т на ось, а для электровозов ВЛ10У - примерно такая же тяговая характеристика, что и ВЛ10, за тем исключением, что у ВЛ10У имеется ограничение по сцеплению при более высокой силе тяги за счет увеличенной нагрузки до 25 т на ось.
Анализ технических возможностей и весовых норм для локомотивного парка, работающих на железнодорожном участке главного хода от Твери до станции Ховрино, используя техническую литературу [2, 4], руководящие документы [5, 8] и каталог профилей для локомотивных бригад ТЧЭ-12 Санкт-Петербург-Финляндский [6] филиала ОАО «РЖД» Октябрьской железной дороги, показывает, что электровозы ВЛ10 и ВЛ10У по своим тяговым возможностям полностью справляются с возложенной на них задачей по работе с поездами массой до 3800 т на данном участке [11]. Однако, если учитывать статистику за 2017 и 2018 гг., масса грузовых поездов, работающих на участке Тверь-Ховрино, не превышает 2000 т (как исключение не более 2500 т), то можно говорить о неэффективности использования для работы с подобными поездами электровозов серии ВЛ10, не говоря уже об электровозах 2ЭС4 К, 2ЭС6 и 2ЭС10. Таким
образом, необходим электровоз, способный работать с грузовыми составами массой до 4000 т с меньшим энергопотреблением при достаточных тяговых возможностях.
Решением поставленной задачи может служить создание односекционного грузового электровоза, способного эффективно (с высоким КПД) работать с поездами массой от 3000 до 4000 т. Учитывая заданную ОАО «РЖД» тенденцию в росте грузооборота на Октябрьской железной дороге и доведение массы поездов до 6000-9000 т, новый электровоз должен быть приспособлен к работе по системе многосек-ционности, т. е. способного работать в составе двух или при необходимости даже трех секций [12].
Опыт предыдущих лет эксплуатации тягового подвижного состава на сети советских железных дорог позволяет отметить, что подобного рода эксперимент уже был. Наиболее убедительным примером служат электровозы серий 2 ВЛ23, 3 ВЛ23 и 2 ВЛ60. Подобного рода машины переделывались исключительно в условиях ремонтных депо, таких как локомотивное депо ТЧ-2 «Ховрино», где до середины 1990-х годов успешно эксплуатировались наряду с обычными
электровозами ВЛ23 и переделанные электровозы 2 ВЛ23. Проводимые в условиях ремонтных локомотивных депо переделки электрических схем накладывали ограничения на тяговые характеристики и выявляли свои особенности эксплуатационной работы локомотивных бригад на этих электровозах. Например, из-за наличия реостатной системы регулирования скорости и перегруппировки ТЭД с одного соединения на другое у двухсекционных электровозов возникал двойной перерасход электроэнергии, чем у односекционных ВЛ23, или в 1,5 раза больший, чем у электровозов ВЛ10 и ВЛ11 [13]. Кроме этого соединения ТЭД на 2 ВЛ23 имело аналогичное соединение ТЭД, реализованное на электровозах ВЛ15: последовательное (С) - две ветви по шесть ТЭД в каждой, последовательно-параллельное (СП) - четыре ветви по три ТЭД в каждой, параллельное (П) - шесть ветвей по два ТЭД в каждой, как показано на рис. 1.
При подобных соединениях ТЭД тяговые характеристики электровоза ВЛ15, представленные на рис. 2, показывают, что группы характеристик СП- и П-соединений ТЭД при некотором ослаблении магнитного поля перекрываются друг другом.
Рис. 1. Соединение ТЭД электровозов 2 ВЛ23 и ВЛ15: а - последовательное; б - последовательно-параллельное; в - параллельное
Рис. 2. Тяговые характеристики электровоза ВЛ15
Поэтому, начиная со скоростей V = 3035 км/ч, применение реостатов сводится к минимуму. При этом токовые характеристики электровоза ВЛ15, представленные на рис. 3, при СП- и П-соединениях ТЭД со всеми ограничениями очень близки к идеальному виду, которые сейчас имеют только электровозы ЭП20 и 2ЭС10, благодаря наличию плавного регулирования, построенного на современной полупроводниковой платформе.
Кроме этого, работа локомотивных бригад в пути следования на двухсекционных электровозах особенно затруднена из-за отсутствия внутренних переходных площадок между сочлененными электровозами.
Учитывая вышеперечисленные особенности эксплуатации переделанных двухсекционных электровозов на участке Октябрьской железной дороги и наличия большого количества пассажирских и высокоскоростных поездов, скорость движения грузовых поездов на отдельных участках ограничена 90 км/ч, что соответствует выписке из распоряжения скоростного режима по Октябрьской железной дороге. Таким образом, при имеющемся в настоящее время грузовом потоке или его возрастании в будущем пона-
добится электровоз, способный работать с поездами массой от 3000 до 9000 т со скоростями до 90 км/ч, а в перспективе и до 120 км/ч.
В соответствии с программой обновления локомотивного парка ОАО «РЖД» до 2030 г. на железные дороги России стали поступать электровозы постоянного тока 2ЭС4К, 3ЭС4К, 2ЭС6 и 2ЭС10. Обновляется парк электровозов переменного тока такими машинами как 2 (3,4) ЭС5К. Наиболее перспективными считаются опытные электровозы 2ЭС5 (переменный ток, ООО ПК «НЭВЗ»), 2ЭС7 (переменный ток, ООО «Уральские Локомотивы»), а также серийный 2ЭС10 (постоянный ток, ООО «Уральские Локомотивы»). К преимуществам данных машин можно отнести асинхронный тяговый привод, модульность конструкции и внедрение микропроцессорной системы управления и диагностики. Подобные решения позволяют достичь наиболее высоких технико-экономических показателей [2].
Учитывая сложившуюся ситуацию и современные условия грузового движения, а также исторический, технический и технологический опыт в области электровозостроения, можно сказать, что решением поставленной задачи мо-
О 10 20 30 40 so 60 70 SO 90 Рис. 3. Токовые характеристики электровоза ВЛ15
V ем/ ■
жет явиться создание односекционного модульного грузового электровоза с главной несущей рамой новой конструкции, которая позволит формировать в дальнейшем из односекционного электровоза не только двух- или даже трехсек-ционные локомотивы, но и в случае изменения системы электрификации участка быстро и рационально переоснастить имеющийся парк электровозов с одного рода тока на другой. Кроме этого, применение электровоза модульной конструкции дает возможность не только в короткое время переформатировать его в многосекционный вариант, но и осуществить быстрый
ремонт путем замены неисправного модуля на исправный.
Основным вариантом является односекцион-ный грузовой электровоз модульной конструкции на двух трехосных тележках и с асинхронным тяговым приводом. В качестве базового элемента электровоза принимается рама несущей конструкции нового типа, на которой устанавливается силовое и вспомогательное оборудование, размещенное в отдельных функциональных модулях. Рама в процессе эксплуатации воспринимает на себя статические и динамические нагрузки, такие как от массы
размещенного на ней оборудования, продольные реакции от состава в процессе движения и трогания с места, а также тяговые и тормозные усилия, приходящие от ходовых тележек. Применение подобной рамы и модулей приводит к увеличению веса локомотива до расчетных значений естественным путем без использования дополнительного балласта. Главная несущая рама электровоза, показанная на рис. 4, позволяет полностью использовать подкузовное пространство для размещения в нем модулей с тяговым и вспомогательным оборудованием.
К основным элементам конструкции главной рамы (рис. 4) относятся: стяжные ящики (1), расположенные по торцовым краям рамы, в которых размещаются автосцепные устройства, воспринимающие продольные усилия от состава и ходовых тележек через кронштейн тягового поводка (4), а также для передачи тяговых и тормозных усилий на продольные несущие балки и восприятия веса от модуля кабины или модуля тамбура; поперечные балки (2), являющиеся элементами конструкции для соединения продольных несущих балок; опорная балка (3) предназначена для стяжки продольных несущих балок, а также служит дополнительной точкой опоры для модуля вспомогательного оборудования; две продольные несущие балки (5) - главные элементы конструкции главной рамы, в задачу которых входит восприятие сжимающих и растягивающих продольных усилий, прихо-
дящихся на раму [14, 15], а также являющиеся основанием для размещения модулей силового и вспомогательного оборудования; поперечные балки ниши (6) - как элементы конструкции П-образной формы, которые позволяют использовать подкузовное пространство для размещения модуля силового оборудования и так же, как и поперечные балки, есть стяжки для продольных несущих балок (6).
Кабина управления, силовое, вспомогательное и другое оборудование электровоза, размещенные в отдельных модулях и установленные на главной раме, образуют кузов с внутренним сквозным проходом. Практическая реализация задачи по созданию всей линейки модульных электровозов, начиная от односекционного и заканчивая многосекционными, возможна при наличии модуля кабины, модуля вспомогательного оборудования, модуля силового оборудования, модуля санитарного узла и тамбурного модуля, как показано на рис. 5.
Модуль кабины представляет собой кабину управления с установленными пассивными системами безопасности для локомотивной бригады. Для максимального изолирования вредных вибрационных воздействий на локомотивную бригаду, возникающих во время движения электровоза, в процессе движения электровоза модуль кабины устанавливается на вибропогло-щающие опоры, которые опираются на стяжной ящик главной рамы. Кроме этого, в модуль каби-
Рис. 4. Главная несущая рама модульного электровоза
/лт^гттгтгпт
Рис. 5. Модульная конструкция одно-, двух- и трехсекционного электровоза: 1 - главная рама; 2 - модуль кабины; 3 - модуль вспомогательного оборудования; 4 - модуль силового оборудования; 5 - модуль санитарного и дополнительного оборудования; 6 - ходовая
тележка; 7 - модуль-тамбур
ны могут быть интегрированы системы пассивной безопасности. Наиболее распространены пассивные блоки, которые в момент столкновения с препятствием воспринимают на себя основную силу удара, сохраняя внутреннее пространство кабины, как показано на примере электровоза ЭП20 на рис. 6.
Модуль вспомогательного оборудования (см. рис. 5) предназначен для размещения в нем обязательных устройств, обеспечивающих работоспособность как агрегатов силового модуля, так и электровоза в целом. В нем располагаются мотор-вентиляторы охлаждения ТЭД, мотор-компрессор и т. п. Данный модуль опирается на продольные несущие балки основной рамы.
В зависимости от электрификации участка (рода тока), на котором предполагается эксплуатировать электровоз, в модуле силового оборудования размещаются тяговый трансформатор, другое силовое оборудование и аппараты для работы электровоза. Такое решение позволит максимально быстро в условиях основного локомотивного депо сформировать или переоборудовать электровоз для работы на участках, электрифицированных разным видом тока (постоянным или переменным). По конструктивному исполнению модуль силового оборудования схож с модулем вспомогательного оборудования и располагается в нише по центру главной несущей рамы электровоза. С целью более пол-
ного использования объема рамной ниши габариты модуля силового оборудования совпадают.
Как показано на рис. 5, модуль-тамбур позволяет преобразовать односекционный локомотив в многосекционный. Применение модульной компоновки электровоза дает возможность формировать двух- и при необходимости я-секционные электровозы при повышении грузооборота на отдельном участке его эксплуатации или по другим причинам. Модуль-тамбур размещается на консольной части рамы вместо одного из модулей кабины. Подобное решение позволяет в процессе эксплуатации локомотивной бригаде беспрепятственно и без выхода из электровоза перемещаться из одной секции в другую.
Модуль санитарного оборудования устанавливается в единственном экземпляре на один многосекционный локомотив или может быть исполнен совместно с модулем кабины. Возможны и другие варианты компоновки.
Для исключения избыточного веса и уменьшения нагрузки на ось колесной пары внешнюю обшивку проектируемых модулей кузова следует изготавливать из легких и одновременно прочных композитных материалов.
Таким образом, применение главной несущей рамы с внутренней заглубленной центральной нишей и модульной конструкцией оборудования, имеющей обшивку из облегченных композитных материалов, приведет к выполнению условия осевой нагрузки, которая составляет 25 т/ось, без применения дополнительного балласта, в отличие от грузовых электровозов ВЛ10У, 2ЭС4К, 2ЭС6 и 2ЭС10. Рациональное использование тяговых средств на железнодорожном транспорте, а также внедрение новых технологий в области проектирования нового подвижного состава дает возможность экономить значительные средства, затрачиваемые на эксплуатацию и ремонт, что, в свою очередь, ведет к повышению эффективности и конкурентоспособности железнодорожного транспорта в целом. Современные достижения в области тягового привода и силовой преобразовательной техники позволяют значительно понизить энергопотребление ЭПС и практически в 2 раза
повысить тяговые возможности электровозов и электропоездов, а модульная компоновка оборудования - быстро проводить все виды ремонтов (в том числе и внеплановые), а также адаптировать имеющийся тяговый подвижной состав под конкретные условия эксплуатации.
Библиографический список
1. Кручек В. А. Коэффициент использования сцепной массы локомотива с групповым тяговым приводом колесных пар / В. А. Кручек, А. В. Грищенко, Т. С. Титова // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. -СПб. : ПГУПС, 2017. - Т. 14. - Вып. 2. - С. 267-280.
2. Раков В. А. Локомотивы отечественных железных дорог (1956-1975 гг.) / В. А. Раков. - М. : Транспорт, 1999. - 443 с.
3. Шрайбер М. А. Повышение эффективности технического обслуживания локомотивов / М. А. Шрайбер, А. В. Грищенко, В. В. Грачев, В. А. Кручек // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2012. - Вып. 4. - С. 93-98.
4. Хаймоненко А. И. Руководство по эксплуатации. Электровоз 2ЭС4 К / А. И. Хаймоненко. - М. : ОАО «РЖД», 2007. - 142 с.
5. Говоров В. С. Руководство по эксплуатации. Тепловоз 2ТЭ25А / В. С. Говоров. - Брянск : ЗАО «УК БМЗ», 2009. - 199 с.
6. Андросов Н. Н. Руководство по эксплуатации. Электровоз 2ЭС6 / Н. Н. Андросов. - Екатеринбург : ОАО «УАЖМ», 2009. - 171 с.
7. Андросов Н. Н. Электровоз 2ЭС10. Руководство по эксплуатации / Н. Н. Андросов. - Екатеринбург : ОАО «УАЖМ», 2009. - 101 с.
8. ЦТ-20 от 12.02.2018 г. Нормы массы и длины грузовых поездов по сериям локомотивов для Октябрьской железной дороги. - М. : ОАО «РЖД», 2018.
9. Распоряжение ОАО «РЖД» от 3 декабря 2012 г. № 2434р «О порядке издания приказов об установлении норм масс и длин поездов на участках ОАО "РЖД"». - М. : ОАО «РЖД», 2012.
10. Распоряжение № 1651р от 11.08.2016 г. «О нормах межремонтных пробегов железнодорожного подвижного состава, эксплуатируемого на инфраструктуре ОАО "РЖД"». - М. : ОАО «РЖД», 2016.
11. Кручек В. А. Анализ тяговых возможностей и весовых норм парка грузовых электровозов Октябрьской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» / В. А. Кручек, И. В. Евченко // Специальная техника и технологии транспорта : сб. науч. статей. - СПб. : ВАМТО, 2019. - Вып. 2. - Ч. 2. - С. 77-83.
12. Кручек В. А. Электровоз модульной конструкции / В. А. Кручек, Г. Д. Шелудяков // Сб. материалов VI Междунар. науч.-технич. конференции «Локомотивы. Электрический транспорт. XXI век». - СПб. : ПГУПС, 2018. - Т. 2. - С. 34-38.
13. Осинцев И. А. Устройство и работа электрической схемы электровозов серии ВЛ10 и ВЛ10У - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2013. - 384 с.
14. Кручек В. А. Исследование напряженно-деформированного состояния рамы тепловоза ШТЕ16М /
В. А. Кручек, Х. Р. Косимов // Сб. науч. трудов Респу-бликанск. науч.-технич. конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте». - Ташкент : ТашИИТ, 2013. - С. 69-77.
15. Кручек В. А. Оценка остаточного ресурса рам локомотивов и продление их службы / В. А. Кручек, Х. Р. Косимов // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. -СПб. : ПГУПС, 2013. - Вып. 1. - С. 115-122.
Дата поступления: 21.11. 2019 Решение о публикации: 02.12.2019
Контактная информация:
КРУЧЕК Виктор Александрович - д-р техн. наук, профессор; victor.kruchek@yandex.ru ХАМИДОВ Отабек Рустамович - канд. техн. наук, доцент, докторант; otabek.rustamovich@yandex.ru
Opportunities, prospects and special features of modular design of the electric freight locomotive in modern operational conditions
V. A. Kruchek, O. R. Khamidov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Kruchek V. A., Khamidov O. R. Opportunities, prospects and special features of modular design of the electric freight locomotive in modern operational conditions. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2020, vol. 17, iss. 1, pp. 96-107. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-1-96-107
Summary
Objective: Freight traffic is not available at sections of OAO "Russian Railways" due to a considerable number of passenger trains. The use of such modern electric locomotives as 2ES4K, 2ES6 and 2ES10 with low-weight trains at these sections might prove to be inefficient. Thus, at present freight electric trains with asynchronous power actuator are essential at such sections of the railway net, as the former are capable of efficient functioning with trains up to 4000 ton and can increase haulage indices in case of freight traffic growth as well as with trains of 6000 ton and more consisting of two or three sections. Methods: The comparison and analysis of tractive and current characteristics, efficiency factors, electric connection diagrams of traction electric motors, distance run between overhauls, tangible costs on maintenance, labor expenditures on maintenance of diesel and electric locomotives functioning in modern operational conditions. Finite-element method was applied for strength analysis of the overhanging design supporting frame of the future electric locomotive basic element. Results: Less high-powered one-section electric locomotives, compared to two-section 2ES10, are needed for operation with low weight trains in order to reduce power costs. A single-section electric locomotive is to be converted into two or three-section locomotive within the shortest period of time in case of train weight increase. Practical importance:
The use of the electric locomotive with modular design will make it possible to convert a single-section locomotive into a multisection one in the shortest period of time. It will also allow quick repair of the locomotive by means of replacing the defective module with a working one. The overhanging design supporting frame of the new type is taken as the basic element of the electric locomotive. Power and supporting facilities placed into five separate functional modules are installed on the above-mentioned frame. The inner skin of the superstructure modules under design is produced from light and durable composite materials.
Keywords: Electric locomotive, freight, traffic volume, tonnage rating, single-section, two-section, train weight, modular design, supporting frame, multisection, cab, functional module, static load, dynamic load, security.
References
1. Kruchek V.A., Grishchenko A. V. & Titova T. S. Ko-effitsient ispolzovaniya stsepnoy massy lokomotiva s gruppovym tyagovym privodom kolesnykh par [Coefficient of adhesive weight efficiency of the locomotive with group power actuator of the wheel pair]. Izvestiia Peterburgskogo universitetaputey soobshcheniya [Proceedings ofPetersburgState Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2017, vol. 14, iss. 2, pp. 267-280. (In Russian)
2. Rakov V.A. Lokomotivy otechestvennykh zhe-leznykh dorog (1956-1975 gg.) [Home-produced locomotives (1956-1975)]. Moscow, Transport Publ., 1999, 443 p. (In Russian)
3. Shraiber M. A., Grishchenko A. V., Grachev V. V. & Kruchek V.A. Povysheniye effektivnosty tekhnicheskogo obsluzhivaniya lokomotivov [Efficiency improvement of maintenance operation of locomotives]. Izvestiia Pe-tersburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Proceedings ofPetersburg State Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2012, iss. 4, pp. 93-98. (In Russian)
4. Khaimonenko A. I. Rukovodstvopo ekspluatatsii. Elektrovoz 2ES4K [Maintenance manual. Electric locomotive 2ES4K]. Moscow, ОАО "Russian Railways" Publ., 2007, 142 p. (In Russian)
5. Govorov V. S. Rukovodstvo po ekspluatatsii. Teplo-voz 2TE25A [Maintenance manual. Diesel locomotive 2TE25 А]. Bryansk, ZAO "UK BMZ" [Managing Company Bryansk Machine Engineering Plant] Publ., 2009, 199 p. (In Russian)
6. Androsov N. N. Rukovodstvo po ekspluatatsii. Elektrovoz 2ES6 [Maintenance manual. Electric loco-
motive 2ES6]. Yekaterinburg, ОАО "UAZhM" Publ., 2009, 171 p. (In Russian)
7. Androsov N. N. Elektrovoz 2ES10. Rukovodstvo po ekspluatatsii [Electric locomotive 2ES10. Maintenance manual]. Yekaterinburg, ОАО "UAZhM" Publ., 2009, 101 p. (In Russian)
8. TsT-20 ot 12.02.2018 g. Normy massy i dliny gru-zovykh poezdov po seriyam lokomotivov dlya Oktyabr-skoy zheleznoy dorogy [TsT-20 [Railway Locomotive Economy Department dated February 12th, 2018]. Load and length standards for freight trains according to the range of locomotives for October Railway]. Moscow, OAO "RZhD" ["Russian Railways"] Publ., 2018. (In Russian)
9. Rasporyazheniye OAO "RZhD" ot 3 dekabrya 2012 g. no. 2434r "O poryadke izdaniya prikazov ob ustanovlenii norm mass i dlinpoezdov na uchastkakh OAO "RZhD"" [Order by OAO "Russian Railways" dated December 3rd 2012. N2434r "On issuing orders for establishment of length and load standards for trains at sections of OAO "Russian Railways"]. Moscow, OAO "RZhD" ["Russian Railways"] Publ., 2012. (In Russian)
10. Rasporyazheniye no. 1651r ot 11.08.2016 g. "O normakh mezhremontnykh probegov zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava, ekspluatiruyemogo na infrastruc-tureOAO "RZhD"[OrderN 1651rdated August 11th2016 "On the norms of distance run between overhauls for the railway rolling stock operated by OAO "Russian Railways"]. Moscow, OAO "RZhD" ["Russian Railways"] Publ., 2016. (In Russian)
11. Kruchek V.A. & Evchenko I. V. Analiz tyago-vykh vozmozhnostey i vesovykh norm parka gruzovykh elektrovozov Oktyabrskoy zheleznoy dorogy - filiala OAO "RZhD" [The analysis of traction ability and tonnage rating for the October Railway fleet of electric freight
locomotives of - OAO "Russian Railways" subsidiary]. Spetsialnaya tekhnika i tekhnologii transporta [Specialpurpose machinery and transport solutions]. Collection of research papers. Saint Petersburg, VAMTO [General Khrulev A. V. Military Academy of Material Logistics] Publ., 2019, iss. 2, pp. 77-83. (In Russian)
12. Kruchek V.A. & Sheludyakov G. D. Elektrovoz modulnoy konstruktsii [Electric locomotive of the module-type construction]. Sb. materialov VIMezhdunarod-noy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Lokomotivy. Elektricheskiy transport. XXIvek" [Collected papers of the 6th International Research and Training Conference "Locomotives. Electric transport. 21st century"]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2018, vol. 2, pp. 34-38. (In Russian)
13. Osintsev I. A. Ustroistvo i rabota elektricheskoy skhemy elektrovozov serii VL10 i VL10U[Operation and description of a circuit diagram for the VL10 and VL10U-series electric locomotives]. Moscow, Uchebno-metodi-cheskiy tsentr po obrazovaniyu na zheleznodorozhnom transporte [Training and Methodology Centre for Railway Transport] Publ., 2013, 384 p. (In Russian)
14. Kruchek V. A. & Kosimov Kh. R. Issledovaniye napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya ramy teplovoza UzTE16M [Stress-strain analysis of the diesel
locomotive frame UzTE16M]. Sbornik nauchnykh tru-dov Respublikanskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Resursosberegayushchiye tekhnologii na zheleznodo-rozhnom transporte" [Collected papers of the Republican Research and Technical Conference "Resource-saving technologies for railway transport"]. Tashkent, TashIIT [Tashkent Railway Engineering Institute] Publ., 2013, pp. 69-77. (In Russian)
15. Kruchek V.A. & Kosimov Kh. R. Otsenka osta-tochnogo resursa ram lokomotivov i prodleniye ikh slu-zhby [Remaining life time assessment of locomotive un-derframe and their service extension]. Izvestiia Peterburg-skogo universitetaputey soobshcheniya [Proceedings of Petersburg State Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2013, iss. 1, pp. 115-122. (In Russian)
Received: November 21, 2019 Accepted: December 2, 2019
Author's information:
Victor A. KRUCHEK - D. Sci. in Engineering, Professor; victor.kruchek@yandex.ru Otabek R. KHAMIDOV - PhD in Engineering, Associate Professor, Doctoral Candidate; otabek.rustamovich@yandex.ru
