Будущее тепловозостроения и перспективы развития.

Во многих странах доля перевозок грузов по железным дорогам сокращается. В США она составляет 32%, а в Англии всего 25% от общего объёма перевозок. У нас железные дороги перевозят доминирующее количество грузов и в обозримой перспективе они по-прежнему сохранят ведущую роль в перевозке грузов и пассажиров.

Рост перевозок должен обеспечиваться соответствующим усовершенствованием всей железнодорожной техники, и в первую очередь локомотивов. Скорости движения поездов и их вес увеличатся, а это потребует дальнейшего совершенствования конструкции тепловозов и электровозов, увеличения их силы тяги и мощности. Большие скорости предъявят повышенные требования к прочности, надёжности и динамическим качествам локомотива.

В печати появились сведения, что японские железнодорожные фирмы к концу 1980г. ввели в действие на линии Токио-Осака пассажирский поезд, способный развивать скорость до 500 км/ч.

С 1964г. японские железные дороги успешно осуществляют регулярное движение пассажирских поездов со скоростью свыше 200 км/ч и, несмотря на значительно возросший при такой скорости расход энергии, получают прибыль.

Железнодорожный транспорт обладает замечательными свойствами расходовать мощность на передвижение грузов наиболее экономно из всех видов транспорта благодаря связи колёс с рельсами. Ведь образование силы тяги при качении колёс локомотива по рельсам происходит при КПД, равном почти 100%.

Высокая скорость требует и локомотивов большой мощности. Пассажирский поезд весом 500 т при скорости 200 км/ч нуждается в тепловозе мощностью 7 тыс. л.с.

По мере увеличения скорости поезда работа машиниста становится всё труднее. Уже сейчас бригада тепловоза на английских железных дорогах при скорости движения 160 км/ч меняется через каждые 3ч – люди с трудом выдерживают большое нервное напряжение. Поэтому требуется создавать новые автоматические системы управления, облегчающие труд машиниста. В результате ведения поезда было поручено автомашинисту, который не только точно соблюдает время движения по перегону и экономит топливо благодаря оптимальному режиму работы силовой установки, но и обеспечивает безопасность движения.

Современный автомашинист представляет собой сложную кибернетическую машину, которая хранит информацию о профиле пути, расписании движения, о тяговых и тормозных характеристиках, о положении впереди идущего поезда и др. И тем не менее всей этой информации ещё недостаточно для управления локомотивом – у автомата нет опыта машиниста.

Законы движения поезда определяются силами, действующими на него. Человек не может решать в доли секунды дифференциальное уравнение движения поезда, а машина может. В этом её колоссальное преимущество перед человеком. По мере поступления всё новой и новой информации от датчиков пройденного пути, скорости, времени и от устройств, передающих сигналы светофора, машина решает уравнение движения за одну десятитысячную долю секунды. Из всех возможных решений автомат выбирает оптимальные по расходу топлива при соблюдении расписания.

Чтобы определить момент перехода с одного режима на другой, необходимо заглянуть вперёд: можно ли в данный момент начать движение по инерции, где и когда перейти на торможение, чтобы точно остановить поезд у платформы вокзала? Для точной остановки в заданном пункте машина получает дополнительную информацию от радиоактивных датчиков, установленных перед станцией. Как только автомашинист определит точку перехода на новый режим, он направляет сигнал к соответствующему реле, связанному с цепями управления тяговыми электродвигателями и тормозами.

Новая система управления локомотивами уже применяется на участке Москва-Клин для вождения пригородных электропоездов и на кольцевой линии московского и ленинградского метро. Ведутся работы по её применению и на тепловозах.

Какие же тепловозы потребуются для перспективных перевозок?

Исследования, проведённые ЦНИИ МПС, Институтом комплексных транспортных проблем, ВНИТИ и другими организациями, показывают, что для обеспечения всех перевозок требуются тепловозы различной мощности и силы тяги.

Прежде всего, какова будет степень использования тепла топлива?

Современный хороший дизель преобразует в механическую работу около 40% энергии, заключённой в топливе. Возможно ли дальнейшее существенное увеличение эффективности переработки тепла в дизеле? На такой вопрос нужно ответить отрицательно: за столетний путь развития дизеля его КПД возрастает очень медленно.

Может быть, на смену дизелю придёт газовая турбина, и в XXI веке будут выпускаться не тепловозы, а газотурбовозы?

Нет, этого не произойдёт, так как современный газотурбинный двигатель отличается повышенным расходом топлива на единицу мощности по сравнению с дизелем. Особенно велик расход топлива у газовой турбины на холостом ходу, доходя до 70% от расхода при номинальной мощности. Затраты на топливо достигают у тепловозов 40% всех эксплуатационных затрат, и потому даже небольшой перерасход топлива газовой турбины по сравнению с дизелем играет решающее значение. Если двигатель газотурбовоза будет расходовать топлива хотя бы на 10% больше, чем дизель, то даже при полном отсутствии затрат на обслуживание силовой установки он всё же уступит тепловозу: дополнительная стоимость перерасхода топлива будет значительно больше, чем расходы на обслуживание дизеля.

Любое усовершенствование газовой турбины с целью экономии топлива сопровождается увеличением стоимости её изготовления, эксплуатации и ремонта. Применение газовой турбины возможно только на скоростных пассажирских локомотивах, когда требуется большая мощность, а стоимость не играет такого решающего значения, как при грузовых перевозках.

Единственным соперником тепловозу может быть только электровоз. Однако электрификация железных дорог требует очень больших капитальных затрат, которые могут быть экономически оправданы только в тех странах, где нет своих источников дешёвого жидкого топлива.

Экономичность тепловоза зависит не только от первичного двигателя, но и от передачи.

Главной задачей тепловозостроителей остаётся создание надёжных и дешёвых локомотивов, простых в изготовлении и ремонте, обеспечивающих большой моторесурс дизелей и межремонтный пробег всех узлов. Внедрение на тепловозах управляемых полупроводниковых элементов (тиристоров) позволит создать бесконтактную систему электрической передачи с плавным регулированием скорости бесколлекторного асинхронного двигателя. При этом полностью отпадает потребность в уходе за коллекторами и контактами. Синхронные генераторы переменного тока у нас уже освоены и эксплуатируются на некоторых отечественных тепловозах. Созданы тяговые электродвигатели переменного тока.

Каждый тепловоз характеризуется своими параметрами: мощностью дизеля, максимальной скоростью движения, сцепным весом и совершенством использования топлива. Заглянем вперёд и определим основные параметры магистрального локомотива завтрашнего дня.

Технико-экономические расчёты показывают, что освоение грузооборота железных дорог будет происходить благодаря увеличению веса и скорости поезда. В 2010г. будут формироваться грузовые составы весом 8-10 тыс. т. Возрастут и скорости их движения. За предшествующие 30 лет – с 1940 по 1969г. средняя техническая скорость движения поездов на наших железных дорогах возросла с 33,1 до 46,3 км/ч, а участковая скорость – соответственно с 20,1 до 33,5 км/ч, т.е. всего на 13 км/ч. В последующие 30 лет темпы роста скорости заметно увеличатся благодаря применению более мощных тепловозов.

Всесоюзный научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта провёл расчёты, позволившие установить значения максимальных скоростей движения на ближайшую перспективу: для грузовых поездов 100 км/ч, для рефрижераторных 120 км/ч, а для скорых пассажирских ещё выше. Реализация этих скоростей должна быть предусмотрена вы первую очередь на основных магистралях. Путь Москва-Ленинград намечается подготовить для дальнейшего повышения скорости до 200 км/ч.

Будущий тепловоз будет иметь высокоэффективную электрическую передачу переменного тока с трёхфазным генератором и короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Тележки будут связаны с кузовом при помощи пневматической подвески, позволяющей изменять частоту собственных колебаний локомотива в соответствии с его скоростью движения. Вести поезд будет автомашинист, воздействующий на электронные цепи управления. Однако это не значит, что на локомотиве не останется места для человека. Автомашинист будет выполнять такие же функции, как автопилот на самолёте, а человеку отводится более квалифицированная роль – контроль за работой автоматики.

Тепловозы завтрашнего дня создаются сегодня в лабораториях учёных и в конструкторских бюро.