Каким быть локомотиву для детских железных дорог?

КАКИМ БЫТЬ ЛОКОМОТИВУ ДЛЯ ДЕТСКИХ

ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ?

Матвеев М.В., Федоров Д.В., Харебов С.К., Никонов А.А.

Российские железные дороги всегда уделяли большое внимание вопросам подготовки кадров, воспитанию молодых специалистов, поддержанию железнодорожных династий. Большую работу в самом начале жизненного пути молодых людей по профориентации и обучению проводят детские железные дороги (ДЖД).

Первая в мире детская железная дорога была открыта 24 июля 1935 года в Тифлисе (Тбилиси). За шесть предвоенных лет в стране появилось не менее 20 подобных дорог. Следующие две волны строительства детских железных дорог приходятся на середину 1950-х годов и 1970-е годы, после чего вновь наступило некоторое затишье. Ко времени распада СССР количество действующих “малых” железных дорог достигло 52, в настоящее время в России работают 22 ДЖД.

За последние годы была создана и построена Новосибирская ДЖД, большая реконструкция с внедрением современной техники и технологий была проведена на ДЖД в г. Кратово (Московская область), ведутся работы по строительству ДЖД в г. Казани и по проектированию ДЖД в г. Санкт-Петербурге.

16 октября 2006 г. в ОАО “РЖД” была принята Целевая программа “Молодежь ОАО “Российские железные дороги” (2006–2010 гг.)”. В проекте “Развитие инфраструктуры для обеспечения реализации Программы” вторым пунктом обозначено “Материально-техническое развитие системы детских железных дорог”.

Действительно, в настоящее время на многих ДЖД материально-техническая база обучения весьма устарела как физически, так и морально.

Особенно остро этот вопрос стоит в отношении подвижного состава ДЖД в силу его специфической особенности – на детских железных дорогах применяется узкоколейный подвижной состав колеи 750 мм.

Согласно утвержденному Правительством СССР “Плана коренной реконструкции тяги” приказом МПС в 1955 году ЦУМЗ было поручено разработать проект, а Калужскому машиностроительному заводу изготовить опытный образец узкоколейного тепловоза для работы на вновь строящихся дорогах в районах освоения целинных и залежных земель, а также для замены паровозов, работавших на путях узкой колеи МПС. Уже в конце года был изготовлен опытный тепловоз, получивший обозначение ТУ1. После всесторонних испытаний в проект был внесен ряд существенных изменений. Серийно тепловоз стал выпускаться с 1956 года и получил обозначение ТУ2.

Электрическая передача мощности, схожесть схем, индивидуальный привод колесных пар, применение ряда одинаковой аппаратуры – все это делает ТУ2 похожим по конструкции на тепловозы широкой колеи того времени – ТЭ2, ТЭ3.

Параллельно с разработкой отечественного узкоколейного тепловоза был размещен заказ на постройку локомотивов по тому же техзаданию в Чехословакии. В результате, в 1957-58 годах в СССР было поставлено 45 тепловозов колеи 750 мм, получивших серию ТУ3.

Практика показала недостаточную пригодность к эксплуатации на линиях узкой колеи тепловозов ТУ2 и ТУ3 из-за высокой осевой нагрузки, повышенной склонности к боксованию по сравнению с групповым приводом, сложности конструкции для многих эксплуатационных организаций. Поэтому в дальнейшем нишу мощных тепловозов узкой колеи прочно заняли локомотивы с гидропередачей – это ТУ4, ТУ5, ТУ7 (фото 5,6).

На сегодняшний день тепловозы ТУ2 остались в работе на некоторых линиях УЖД и на детских железных дорогах.

В настоящее время новые локомотивы на колею 750 мм предлагает только Камбарский машиностроительный завод, это тепловозы ТУ7 (фото 1) с мощностью по дизелю 400 л.с., гидромеханической передачей мощности и кузовом капотного типа. Но, по мнению авторов статьи, ошибочным будет решение о применении тепловозов ТУ7 для детских железных дорог, так как эти локомотивы во многом не соответствуют специфике работы на ДЖД.

Если бы речь шла о разработке тепловоза для наиболее экономичной работы в грузовом или пассажирском движении, то вопрос передачи для такой мощности был бы решен в пользу гидромеханической. Однако, специфика применения такого локомотива в роли физической модели для целей обучения будущих железнодорожников, по-другому расставляет акценты в вопросе выбора типа передачи, мощности и системы управления.

Для тепловоза ДЖД на первый план выходят требования безопасности и максимального подобия конструкции современным тепловозам широкой колеи.

Тип передачи для учебного локомотива должен быть выбран электрический. Это может быть обосновано тем, что практически все тепловозы широкой колеи, как в настоящее время, так и в будущем будут иметь именно электрическую передачу мощности. Кроме того, здесь учащиеся имеют возможность явно увидеть использование электрической энергии в силовых установках, её генерацию, распределение и практическое использование.

Как показывает практика обучения студентов в техникумах и ВУЗах, вопросы преобразования и передачи электрической энергии воспринимаются учащимися труднее, чем механической энергии. Это зачастую связано с тем, что электричество невозможно увидеть, для понимания процессов в электросистемах необходим навык общения с такими системами, также некоторое абстрактное мышление. Эти способности нужно развивать как можно раньше.

Так как в настоящее время нет производителя готовых локомотивов колеи 750 мм с электрической передачей мощности, то стоит вопрос о разработке такого локомотива именно для целей использования на ДЖД.

Этот вопрос уже поднимался и был весьма близок к разрешению в переломные для нашей страны года – конец 80-х – начало 90-х годов прошлого века. По инициативе инженера путей сообщения Филлипова Андрея Константиновича, стоявшего в свое время у истоков ДЖД в г. Ленинграде, доцента ЛИИЖТа Кисилева Игоря Павловича были проведены совещания, а затем и обсуждение в МПС этой темы. В результате было составлено, согласовано и утверждено техническое задание на проектирование, выполнен проект тепловоза ТЭУ-16 на основе локомотива-электростанции ЭСУ3а, выпускавшегося в то время заводом Губинского торфопредприятия по проекту ВНИИ торфяной промышленности. Дело дошло до начала постройки рамы и кузова опытного образца, но дальше не продвинулось из-за финансово-экономических потрясений 1991 года.

Наступает время вновь рассмотреть вопрос разработки нового тепловоза для ДЖД. Материалы из техзадания на так и не построенный ТЭУ-16 являются в этом деле хорошим подспорьем, но, по мнению авторов статьи, вся концепция тепловоза должна быть заново переосмыслена. В основном это касается построения системы электропередачи мощности.

Можно построить традиционную тепловозную систему управления и передачи мощности. В этом случае контроллер машиниста служит органом задания для регулятора частоты вращения коленчатого вала дизеля, а электропередача автоматически поддерживает уровень мощности, отбираемый с дизеля. В автоматической системе управления электропередачей предусматривается возбудитель, регулятор тока возбуждения генератора. Силовую часть регулятора возможно построить на современных IGBT транзисторах по широтно-импульсному принципу, а систему управления выполнить микропроцессорной (как система УСТА на тепловозах широкой колеи). Такое исполнение достаточно в полной мере воспроизводит принцип управления силовой установкой современного тепловоза, что благоприятно с учебной точки зрения.

Заманчиво построить силовую часть тепловоза по принципу автономной электростанции (по такому пути пошли разработчики ТЭУ-16). В таком случае практически без переделок на локомотив устанавливается автономный дизель-генератор. Дизель запускается и работает на номинальной частоте вращения. Система возбуждения генератора переменного тока поддерживает на шинах стандартное значение трехфазного напряжения Uл = 3 х 380 В, f= 50 Гц.

От этого напряжения возможно питать электроприводы вспомогательных нужд, что сильно упрощает компоновку оборудования на локомотиве, и, при необходимости, снабжать электроэнергией электроприводы путевых машин и электроинструмент. Ток тяговых двигателей изменяется современным промышленным управляемым выпрямителем с микропроцессорным управлением. В таком случае положение рукоятки контроллера машиниста можно сделать задающим силу тяги или мощность тепловоза, или для автоматического поддержания скорости движения локомотива.

Но построение силовой части тепловоза на основе принципа действия автономной электростанции не соответствует традиционному. Кроме того, работа дизеля на номинальной частоте вращения при загрузке менее 20 % от номинальной мощности повышает удельный расход топлива, масла.

Два изложенных принципа построения электропередачи могут являться в настоящее время вопросом для дискуссии. Возможно обратить внимание на опыт оборудования современных тепловозов с ТЭД постоянного тока системами поосного регулирования силы тяги. На каждый ТЭД имеется индивидуальный управляемый выпрямитель, питающийся от тягового синхронного генератора. Однако для изменения мощности локомотива в целом используется изменение частоты вращения вала дизеля. Такую систему можно рассматривать как совмещение двух вариантов построения электропередачи.

Управление силовой установкой нового локомотива представляется полезным выполнить с комплексной микропроцессорной системой управления. В этом случае в полной мере можно будет продемонстрировать практическую связь информатики, вычислений, алгоритмов, сигналов с реальной аппаратурой, а, так или иначе, – это уже технологии уже ближайшего будущего.

Однако, если имеется возможность создать автоматическую систему стабилизации скорости движения локомотива и, даже более того, систему автоведения, то в условиях ДЖД это представляется вряд ли полезным. На локомотиве детской железной дороги управление должен осуществлять машинист, а автоведение следует рассматривать только как дополнительную иллюстративную возможность.

Отечественной промышленностью выпускаются все необходимые элементы силовой части и вспомогательного оборудования. В качестве основного двигателя представляется возможным выбрать современный быстроходный дизель Ярославского или Тутаевского заводов. Не мало важно, что все дизеля (выпуска после 2001) года соответствуют экологическим нормам “Евро-2”.

Подавляющее большинство ДЖД имеют равнинный профиль, а масса поезда редко превышает 70–80 т, поэтому мощности по дизелю достаточно 300–350 л.с.

Главный генератор устанавливается синхронный, широко распространенных общепромышленных типов, широко применяемых в автономных электростанциях.

Привод колесных пар следует выполнить индивидуальным, по требованию схожести с магистральными тепловозами. Днепропетровский электровозостроительный завод еще в середине 90-х годов изготавливал электровозы колеи 750 мм ПЭУ1 и ПЭУ2. Они оборудованы двухосными тележками с тяговыми двигателями постоянного тока опорно-осевого подвешивания ДТ-11 (275 В, 54 кВт). В разработке тепловоза считаем целесообразным использовать опыт и наработки ДЭВЗ и производителя тяговых двигателей.

Проект локомотива должен быть разработан с учетом специфических требований, предъявляемых к нему как к полнофункциональному локомотиву железной дороги узкой колеи, так и как к учебному в условиях детской железной дороги. Принимая во внимание то, что работать на таком локомотиве будут школьники старших классов, выдвигается главное требование к конструкции и системе управления локомотива – это полная безопасность обслуживающего персонала.

Безопасность должна обеспечиваться как самой конструкцией и компоновкой узлов и агрегатов локомотива, так и специальными техническими средствами, в случае необходимости не допускающими развитие опасной ситуации при возможных ошибках обучаемого обслуживающего персонала.

При разработке проекта локомотива желательно как можно шире использовать номенклатуру изделий, узлов и оборудования, которое уже используется на локомотивах ОАО РЖД или широко распространенного общепромышленного, в настоящее время выпускаемого отечественными заводами и выпуск которого в ближайшей перспективе не будет прекращен.

Ниже изложены остальные требования к конструкции и оборудованию тепловоза, обусловленные спецификой применения для обучения на ДЖД.

Тепловоз должен везти состав пассажирского поезда массой 100 т на 10 ‰ подъёме со скоростью не менее 20 км/ч. На тепловозе должна быть применена стандартная упряжь подвижного состава узкой колеи. Тепловоз должен быть оборудован радиостанцией, современной системой безопасности КЛУБ-У, возможно предусмотреть подачу энергопитания составу пассажирского поезда.

Кузов. Кузов цельнометаллический вагонного типа с двумя кабинами управления. Габаритная высота не более 3,3 м, чтобы имелась возможность перевозки на автотранспортере с высотой пола 1,1 м. Между кабиной машиниста и машинным отделением может быть тамбур. В крыше машинного отделения должен быть предусмотрен люк для замены дизель-генераторного агрегата, а сам агрегат целесообразно установить на отдельной раме. Наружные двери тепловоза должны открываться вовнутрь, если всего две двери, то располагать каждую у своей кабины со стороны выхода концевых кранов тормозной магистрали. Отделка внутренних помещений не должна давать вредных испарений и должна быть доступна и устойчива к ежедневной влажной уборке силами обучаемых. Следует оговорить минимально допустимые ширину и высоту проходов. Во всех проходах полы должны быть на одном уровне. Требуются инвентарные металлические щиты для надежного несъемного снаружи закрытия наружного остекления и приборов сигнализации.

Тележки. Нижние поперечные балки тележек должны иметь деревянные брусья для защиты ТЭД и тяговых редукторов от повреждений при сходе с рельсов.

Тормоза. Тепловоз должен быть оборудован тормозами: прямодействующим неавтоматическим, управляющим тормозными колодками самого локомотива; прямодействующим неавтоматическим с электропневматическим управлением и непрямодействующим автоматическим с пневматическим управлением. Управление тормозами осуществляется: прямодействующим – краном машиниста усл. № 254, а тормозами поезда – краном машиниста усл. № 395–5. Рычажная передача тормозной системы должна позволять регулировку выхода штока тормозных цилиндров при осуществлении операций с наружных боковых сторон тележки. Оборудовать стоп-краны на задних стенках кабин машиниста и в других помещениях локомотива и реле давления воздуха в ТМ, не дающее возможности собрать электрическую схему управления тяговым приводом при незаряженной тормозной магистрали. На лобовых стенках выполнить выводы только тормозной магистрали с концевыми кранами.

Сигналы. На лобовых частях тепловоза должны располагаться по два белых сигнальных фонаря, два красных сигнальных и один прожектор. Прожектор должен иметь переключение на тусклый и яркий свет. Каждый фонарь должен включаться индивидуально. Выключатели буферных огней, а также дублирующие кнопки “Свисток” и “Тифон” расположить на столике помощника машиниста.

Освещение. Прожекторы должны быть установлены над лобовыми стеклами с обеспечением замены ламп из кабины машиниста.

Внутреннее оборудование. В кабине машиниста должны быть предусмотрены два мягких регулируемых кресла и одно полужесткое откидное сидение (для инструктора). Лобовые окна кабин машиниста панорамные из безосколочного стекла толщиной не менее 5 мм, с электроподогревом, снабжены светозащитными шторками, регулируемыми по высоте. Должен быть обеспечен хороший обзор из кабины управления в сидячем и стоящем положении. Боковые окна кабины должны открываться путем перемещения подвижной секции в плоскости боковой стенки кабины в горизонтальном направлении и снабжаться зеркалами заднего вида. Зеркала слева и справа двухсекционные – для обзора состава как машинисту, так и машинисту-инструктору. Боковые окна должны иметь откидной подлокотник. Расположение места машиниста-инструктора должно обеспечивать хорошую видимость пути, сигналов, контрольно-измерительных приборов, органов управления, также по возможности наблюдения за работой оборудования в машинном отделении (например через стеклянное окно двери кабины управления).

Отопление и вентиляция. Отопление кабин управления должно осуществляться с использованием калориферов. Вентиляционная система кабины должна быть приточная механическая, с воздухообменом и очисткой подаваемого воздуха фильтрами при условии недопустимости попадания выхлопных газов. Управление отопительной и вентиляционными системами осуществляется с рабочего места помощника машиниста.

Противопожарная защита. Тепловоз должен быть оснащен огнетушителями и противопожарным инвентарем в соответствии с нормами, должен быть оборудован системой сигнализации о пожаре. Пожарные извещатели должны быть установлены в наиболее пожароопасных местах: машинном отделении, шкафах электрооборудования. Трубопроводы и электропроводка должны размещаться так, чтобы обеспечивалась полная очистка пола и подпольного пространства. В машинном отделении должна быть система удаления и отвода утечек топлива, масла и воды.

Требования безопасности. Электрическое оборудование и агрегаты должны иметь ограждения электрических и механических частей от случайного прикосновения и травмирования обслуживающего персонала. Рамы панелей с электрическими аппаратами должны быть заземлены. Стекла наружных дверей с внутренней стороны должны быть защищены от выдавливания решеткой. Тепловоз должен иметь устройства, предотвращающие падение на путь отдельных узлов и деталей, установленных под кузовом. Температура поверхностей дизеля и кранов, с которыми неизбежно соприкосновение обслуживающего персонала не должна превышать +60°С. Никаких выступающих предметов и ступенек в проходах. Выход на крышу запираемый, и только из машинного отделения. Включение управления ключом, а не кнопкой. Дублирование основных аварийных органов управления на рабочем месте инструктора (тифон, стоп-кран, остановка дизеля и т.п.).

Требованиям охраны окружающей среды. Конструкция узлов и оборудования тепловоза должны предусматривать специальные устройства, предотвращающие потери дизельного топлива, смазочных масел, стекание их на ходовую часть и на землю, как при заправке топливной системы, так и при эксплуатации.

Эстетические и эргономические требования. Тепловоз должен иметь художественно-эстетические показатели, соответствующие современным требованиям. Пульт управления – основные приборы в зоне видимости инструктора, эстетичная интеграция в приборную панель манометров и приборов управления тормозами. Наличие места для текущих поездных документов. Часто приводимые в действие машинистом органы управления (контроллер, кран машиниста, тумблеры и др.) должны располагаться так, чтобы пользование ими не вызывало усталости. Усилие на рукоятке ручного тормоза, обеспечивающее удержание локомотива на уклоне 20 ‰ не должно превышать 0,2 кН (20 кгс).

Основные технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные технические характеристики тепловоза для детских железных дорог

Таким образом, на основании изложенного можно заключить, что локомотив для детских железных дорог должен быть специализированный и носить, в первую очередь, обучающую и профилирующую функцию для юных железнодорожников. Приглашаем к диалогу специалистов, для всестороннего обсуждения поднятой в этой статье темы.

При подготовке данной статьи использованы материалы Сутягина Д.В.

Авторы:

_________________________ Матвеев М.В.

_________________________ Федоров Д.В.

_________________________ Харебов С.К.

_________________________ Никонов А.А.

26 июня 2007 год

Информация об авторах:

Матвеев Михаил Владимирович – к.т.н., начальник Малой Октябрьской детской железной дороги, Санкт-Петербург.

Федоров Денис Владимирович – к.т.н., главный технолог локомотивного депо ТЧ-8 Окт. ж.д.

Харебов Сергей Кадзахович – ст. преподаватель Электромеханического факультета ПГУПС.

Никонов Анатолий Анатольевич – машинист тепловоза локомотивного депо ТЧ-12 Окт. ж.д., в настоящее время инструктор локомотивного хозяйства Малой Октябрьской детской железной дороги, Санкт-Петербург.