CC BY
39
НАУКА
Возможности улучшения базовых
_ ._. </_
показателей перевозок
Российских железных дорог
Александр КУРБАСОВ, профессор МИИТ, д.т.н.
Сегодня широкое использование электровозов нового поколения дает отечественному железнодорожному транспорту уникальный шанс — существенно повысить эксплуатационные показатели перевозочной работы, а вместе с ними — все укрупненные технико-экономические параметры железных дорог. Что, в свою очередь, станет серьезным стимулом для повышения эффективности деятельности других видов транспорта и для сокращения транспортной составляющей в общей себестоимости российской продукции.
Ниже показано, что участковая скорость движения грузовых поездов во многом определяет и формирует целый ряд технико-экономических параметров работы железных дорог, а также рассмотрены возможности существенно увеличить участковую скорость, модернизировав подвижной состав и другие структуры, обеспечивающие перевозочный процесс.
В табл. 1 приведены средние сетевые показатели железных дорог, характеризующие, прежде всего, использование тягового подвижного состава. (К 1970 году перевозки были практически полностью переведены на электрическую и тепловозную тягу, что принято за начало отсчета.)
Скорости доставки грузов начиная с 1970 года и по настоящее время составляют 10-12 км/ч.
Из табл. 1 следует, что показатели использования подвижного состава за последние 35-40 лет менялись мало, и это вполне объяснимо. Основная доля перевозок выполнялась электровозами, а двигатели для них, определяющие тяговые характеристики и другие параметры электрово-
зов, спроектированы 40 лет назад и с той поры остаются практически неизменными.
В настоящее время появилась возможность изменить ситуацию за счет новых технологий в электровозостроении. В частности, речь идет об использовании асинхронного тягового привода. Низкие скорости движения поездов не отвечают требованиям рынка, препятствуют улучшению технико-экономических показателей, в том числе главного из них: снижения себестоимости перевозок. К тому же, отечественный локомотивный парк на 70-75% исчерпал плановый ресурс работы, что сказывается на его надежности.
Речь в статье пойдет преимущественно о грузовых перевозках: ведь при совмещенном движении именно они в значительной степени определяют и скорость пассажирских поездов. Кроме того, они обеспечивают основную долю доходов РЖД.
Ниже установлены связи между параметрами электровозов и эксплуатационными показателями.
Основной показатель перевозки грузов — грузооборот — определяется как
Таблица 1. Средние эксплуатационные показатели работы локомотивного парка
Годы 1970 1975 1980 1988 2002
Участковая скорость, км/ч 33,5 33,4 - 34,7 40
Техническая скорость, км/ч 46,4 46,6 43,6 44,7 46,8
Суточный пробег электровоза , км 499 510 489 388 440
Суточная работа электровоза, ч 14 15,2 15,2 11,8 11
Суточная производительность
электровоза, х103 т.км 1284 1431 1200 1266 1495
Скорость доставки грузов, км/ч 10,5 10,5 9,6 10,5 10
Г = 365 х Пэ х пэ , т х км (1)
где: Пэ — суточная производительность электровоза;
пэ — эксплуатируемый парк электровозов.
В свою очередь
Пэ = Мп х Уу х , т х км
где: Мп — средний вес поезда, т.;
(2)
У
участковая скорость, км/ч; - суточное время работы электровоза
под составом, ч.
Поскольку электровозы могут иметь разное число осей, то удобнее для анализа производительность электровоза представить как
Пэ = М'пх пох Уух = Ах М'пх Уу (3)
где: М'п — вес поезда, приходящийся на одну ось электровоза; коэффициент А введен, поскольку значения по и 1:с обычно заданы.
Далее следует установить связь между мощностью тягового двигателя и производительностью электровоза. Мощность тягового двигателя Рдв рассчитывается для обеспечения движения поезда на руководящем подъеме с расчетной скоростью Ур при расчетной силе тяги Бр, обусловленной условиями сцепления, которые задаются расчетным коэффициентом сцепления фк.
Мощность тягового двигателя
Р = ЕрхУр
1 дв —£——
(4)
3,6х Пзп
где: Пзп — КПД зубчатой передачи, обычно близкий к 0,98.
Расчетная сила тяги в установившемся движении на руководящем подъеме 1р равна сопротивлению движения части поезда, приходящейся на одну ось электровоза
Ер = М'пх^'о + !р),
где w"о — основное удельное сопротивление движению вагонов.
с
• НАУКА
Тогда
Коэффициент В введен, поскольку
ПЗП и 1р обычно заданы. Отношение производительности электровоза к мощности тягового двигателя можно представить как
Пэ = А (М 'п х У„) Рдв В (М 'п х Ур)
« еопэ1 = С
(6)
на том основании, что скорости Уу и Ур обычно близки, или между ними есть определенная связь. Тогда, в итоге:
Пэ = О Рдв (7)
Таким образом, установлено, что суточная производительность электровоза примерно пропорциональна мощности тягового двигателя.
Этот вывод подтверждается как зарубежным, так и отечественным опытом. В Европе при переходе на асинхронные тяговые двигатели их мощность увеличилась примерно в 1,5 раза, что позволило заменить 6-осные электровозы 4-осными. Для оценки отечественного опыта полезно сравнить суммарные мощности тяговых двигателей и производительность локомотивов для тепловозов и электровозов. В грузовой тяге основную работу выполняют 12-осные тепловозы при мощности одного тягового двигателя порядка 300 кВт и 8-осные электровозы с мощностью тяговых двигателей 700-800 кВт. Суммарная мощность тепловоза составляет 3600 кВт, электровоза — 6000 кВт. По состоянию на 2001 год суточная производительность по сети составляла 1590х103 т х км для электровозов и 888,8х103 т х км для тепловозов. Следовательно, удельная производительность электровозов — 265 тхкм/кВт, тепловозов — 246,8 т х км/кВт. Таким образом, устанавливается, что производительность локомотива пропорциональна мощности тяговых двигателей.
Из приведенных соотношений можно сделать следующие выводы:
1. Поскольку у серийных электровозов с коллекторными двигателями мощности предельны по надежности (750-800 кВт), то заметно увеличить их суточную производительность практически невозможно. Тогда, в соответствии с выражением (3), увеличение участковой скорости потребует снизить вес поезда, приходящийся на одну
ось. Стремление повысить этот вес приведет к уменьшению участковой скорости.
2. Увеличение грузооборота, согласно выражению (1), потребует пропорционального увеличения парка грузовых электровозов. В соответствии со Стратегической программой развития железных дорог России, ожидается рост грузооборота на 6% в год. В этом случае через 12 лет потребуется удвоить парк электровозов, подобных эксплуатируемым.
Далее будет показано, что увеличенная производительность электровоза может быть эффективно использована, в основном, за счет повышения участковой скорости. Резервов для увеличения веса поезда, приходящегося на одну ось электровоза, практически не существует, что будет подтверждено ниже.
Здесь уместно привести связь расчетной мощности тягового двигателя с коэффициентом сцепления.
Рдв= 3,6- пзп = 3,6 • пзп = С-(Ук-Ур)
(8),
где Ук — расчетный коэффициент сцепления, принятый для движения на подъеме;
д — нагрузка на ось электровоза, т.
Длительный опыт эксплуатации убеждает в том, что резервов по коэффициенту сцепления нет. А следовательно, наращивание веса поезда на одну ось вызовет перегрузки машин, увеличит повреждаемость также другого оборудования электровозов и путевых структур. В табл. 2 приведен показатель повреждаемости оборудования электровозов на участке Зима — Иркутск в зависимости от веса поезда (Мугинштейн ЛА., Лисицын А.Л. Нестационарные режимы тяги. М., 1996). Для данного участка весовая норма составляет 3600 т.
Из табл. 2 следует, что повреждаемость оборудования резко нарастает по мере увеличения массы поезда (а следовательно — и коэффициента сцепления). В указанном источнике отмечено, что относительное благополучие с повреждаемостью электровозов объясняется многочисленностью поездов с малым
Таблица 2
весом. Это вытекает и из данных табл. 2. Упомянутый источник также показывает, что работа электровозов на пределе по сцеплению приводит к повышенному износу бандажей (для некоторых депо 1,2-2,2 мм/104 км пробега — стр. 32) и к предельному износу рельсов на трудных участках через 1-1,5 года (стр. 31).
Ставка на использование повышенной производительности новых электровозов для наращивания весов поездов приведет к нежелательным результатам. Ибо при этом потребуются дополнительные затраты на путевое развитие станции и будет затруднена работа узлов в связи с необходимостью увеличивать время на накапливание вагонов при формировании тяжеловесных составов. Тяжеловесные составы требуются на отдельных маршрутах для вывоза угля, руды и другого сырья. Это — специфичные направления, где нецелесообразно повышение скоростей. Наращивание веса поезда всегда вступало в противоречие с увеличением скорости движения.
Увеличение скоростей движения поездов, повышение мобильности ОАО «РЖД» полнее отвечают современным условиям складывающегося рынка. Использование добавочной производительности электровозов для наращивания участковой скорости, например, с 40 до 60 км/ч не требует дополнительных вложений в электровозы, у которых предусмотрены максимальные скорости 110-120 км/ч. То есть ОАО «РЖД» тут уже оплатило возможный рост участковой скорости. Главное же здесь — повысить эффективность деятельности и конкурентоспособность «Российских железных дорог».
Выше отмечено, что при заданном грузообороте повышение производительности электровозов в 1,5 раза позволяет сократить эксплуатируемый их парк в этой же кратности. Однако в локомотивном хозяйстве существует и еще один резерв для повышения производительности электровозов. Реализация этого резерва особенно благоприятна при асинхронном приводе (суточное время работы под составом), что следует из выражения (2). Сейчас такое время составляет 10-11 часов. А для электровозов нового поколения реаль-
Показатель Значение показателя при массе поезда, т
До 2600 2600- 2800- 3000- 3200- 3400-
2800 3000 3200 3400 3600
Число повреждений 132 35 45 65 68 267
Число поездов 30799 7171 8121 9211 7771 22612
Вероятность повреждения 0,0043 0,0049 0,0055 0,0071 0,0088 0,0118
НАУКА •
но увеличить его до 14-15 часов за счет ускорения всех видов ремонта, удлинения тяговых плеч, снижения неплановых простоев при повышенной надежности асинхронного тягового привода. В этом случае рост суточной производительности электровоза приблизится к двукратному.
Уточненное наиболее рациональное распределение повышенной производительности видится следующим образом.
Выражение (3) для производительности электровоза можно представить в виде
Па
Е„
— хп0 хухс = А'хЕрхУух :с
W"о + 1р
Двукратный рост производительности электровоза возможен за счет увеличения расчетной силы тяги в 1,1 раза, участковой скорости в 1,4 раза и продолжительности суточной работы в 1,3 раза.
1, 1 х 1,4 х 1,3 = 2
Увеличение значения расчетной силы тяги Бр в 1,1 раза целесообразно из-за некоторого усредненного увеличения сопротивления движению при росте участковой скорости. Рост значений Уу с 40 до 56 км/ч и значения ^ с 11 до 14,3 ч вполне реализуем.
Использование новой техники делает достижимым улучшение следующих показателей.
При заданном грузообороте уменьшится число электровозов и за счет повышенной надежности сократятся расходы на ремонт. Увеличение скоростей движения поездов будет способствовать и сокращению парка вагонов (особенно — при сопутствующем уменьшении времени на грузовые операции и маневровые работы). Новый подвижной состав значительно снизит эксплуатационные расходы на его содержание при улучшении ряда эксплуатационных качеств. Сокращение капитальных и эксплуатационных затрат создаст предпосылки для снижения себестоимости перевозок и повышения доходности ОАО «РЖД».
Возможна экономия электроэнергии за счет эффективного использования рекуперации, так как при асинхронном приводе она реализуется не только на спусках, а при всех торможениях. Этим попутно достигается и экономия тормозных колодок. На участке Москва — Ростов на электровозе ЭП 10 удалось снизить удельный расход электроэнергии до 20% в сопоставлении с серийными электровозами.
Традиционная «головная боль» локомотивщиков — повышенный износ бандажей. При имеющемся резерве по сцеплению у асинхронного привода он может быть уменьшен. По этой же причине возможно замедлить износ рельсов (весьма болезненный процесс для наших путейцев!).
Железные дороги — своеобразный непрерывно действующий конвейер, производительность которого определяется темпом движения. Ускорение этого темпа является основой технологической модернизации железных дорог. Выше определено лимитирующее звено — электровозы. При этом показано, что существенное наращивание скоростей при использовании серийных электровозов, при заданных перевозках и эксплуатируемом парке электровозов, ограничено.
Сколь бы ни был совершенен электровоз, но в цепи конвейера есть и другие звенья, без усовершенствования которых крупный эффект недостижим. Предстоит решить комплексную задачу: усовершенствовать все технические средства, участвующие в перевозочном процессе, а также организовать сам этот процесс на новом уровне. Препятствием для повышения скоростей движения служит большое число ограничений скорости по путевой структуре. А значительное количество внеграфи-ковых остановок поездов указывает и на неблагополучие в организации движения. Недостаточная надежность подвижного состава, напольных устройств СЦБ, связи и других, обеспечивающих безопасность движения, также не способствует повышению скоростей.
Очевидно, что столь объемная задача не может быть решена за 5-7 лет. Даже в самом оптимистическом варианте на то, чтобы заполнить парк электровозами нового поколения и дождаться, чтобы они дали значимый эффект, потребуется не менее 10-15 лет. Представляется необходимым разработать долгосрочную (рассчитанную на полтора-два десятилетия) Программу технической модернизации железных дорог на базе новых технологий как органичное продолжение и развитие принятой Стратегической программы развития Российских железных дорог.
Техническое переоснащение железных дорог может и должно способствовать решению целого ряда глобальных задач по развитию экономики Российской Федерации. Так, например, намечаемое освоение северо-восточных областей страны невозможно без развития сети железных до-
рог в этом регионе, являющемся уникальным хранилищем природного сырья. Повышение скоростей движения поездов придаст новый импульс дальнейшему развитию высокодоходного сухопутного сообщения между Евро-Атлантическим и Азиатско-Тихоокеанским рынками, что составит мощную конкуренцию протяженному морскому транзиту.
Удельные затраты энергии на железных дорогах в 5-8 раз меньше, чем у большегрузных автомобилей, действующих на дальних расстояниях. Существует реальная возможность довести скорость доставки грузов по железной дороге до 15-20 км/ч и более, уравняв ее со скоростью дальних автоперевозок. Это очень существенно, учитывая огромную протяженность России.
Повышенная экономичность дальних перевозок в системе ОАО «РЖД» (в сочетании с экологичностью) будет способствовать совершенствованию и других видов транспорта (прежде всего — автомобильного и водного). Это позволит снизить долю транспортных издержек в себестоимости производимой продукции (стратегический фактор для развития национальной экономики!). Пока же эта доля составляет 15-20% («РЖД»-партнер». 2004. № 1.).
В 1960-1970-х годах на железных дорогах России был совершен мощный технико-экономической прорыв: замена паровозов на электровозы и тепловозы. В 2005-2015 годах за счет электровозов нового поколения и модернизации сопутствующих технических средств возможно радикально улучшить базовые эксплуатационные показатели РЖД, добившись высокого экономического эффекта, подобного тому, что был достигнут в 60-х годах.
Благодаря асинхронному тяговому приводу, железные дороги Европы получили новый импульс развития, а прежде недостижимое увеличение скоростей движения придало им новое качество и оживило программы наращивания как пассажирских, так и грузовых перевозок.
Дальнейшее промедление с техническим переоснащением российских железных дорог — это не только упущенная для них выгода. Это — серьезный тормоз для набирающей обороты отечественной промышленности, способный повлечь значительный ущерб для экономики страны. Железнодорожный транспорт России сегодня — та сфера, где эффективные законы рынка должны проявить себя в полной мере.
