ТЕПЛОВОЗЫ. Вехи непройденного пути. Издание второе, переработанное и дополненное

ТЕПЛОВОЗЫ. Вехи непройденного пути

Издание второе, переработанное и дополненное

Евгений Лосев

Рецензенты А.Г. Иоффе, В.С. Руднев

Фото на обложке Tony Hisgett

© Евгений Лосев, 2019

ISBN 978-5-0050-9656-2

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

ОТ АВТОРА

Уважаемый читатель!

Перед Вами книга о мало освещаемой в современной технической литературе странице истории тепловозостроения, представляющей почти забытые ныне типы тепловозов, в частности, тепловозы с непосредственным приводом движущих осей от двигателя внутреннего сгорания, которым свойственна простота конструкции и то, что теоретически они имеют самый высокий коэффициент полезного действия на ободе колёс из всех известных тепловых локомотивов. Поэтому конструкторы первых тепловозов не случайно стремились применить для них именно такой привод. Известно множество проектов, выполненных как в России, так и за рубежом, некоторые из которых воплотились в металл. Ряд спроектированных конструкций выглядели вполне работоспособными, однако технология производства первой половины прошлого столетия не позволяла их осуществить. Это, в частности, касается генераторов газа и дизель-компрессоров со свободно движущимися поршнями – оригинальных тепловых машин, которым посвящена отдельная глава. Позднее, уже в 50-х годах ХХ века во Франции и СССР были построены экспериментальные газотурбинные локомотивы со свободнопоршневыми генераторами газа. Эти локомотивы также описаны в данной книге.

В реальности эксплуатационный коэффициент полезного действия тепловозов с непосредственным приводом зачастую оказывался ниже, чем наиболее распространённых и хорошо известных сейчас тепловозов с электрической передачей. Это объясняется тем, что при непосредственном приводе дизель вступает в работу не сразу, а по достижении определённой скорости, развиваемой локомотивом, который до этого момента приводится в движение сжатым воздухом или паром1. Время работы тепловоза на этих малоэкономичных источниках энергии зависело от конкретных условий эксплуатации, но так или иначе это снижало коэффициент полезного действия тепловоза, особенно при разгоне паром. Разновидность тепловозов с непосредственным приводом, использующих для разгона пар, обычно выделяется в самостоятельный тип локомотива, известный как теплопаровоз. Основные различия описываемых в этой книге конструкций тепловозов с непосредственным приводом заключаются в способе трогания локомотива с места и его разгона. В основном своём варианте тепловозы с непосредственным приводом разгоняются при помощи сжатого воздуха, для чего на них устанавливается вспомогательный дизель-компрессор.

Вообще сжатый воздух как рабочее тело для привода в движение транспортных средств начал применяться гораздо раньше, чем появились первые тепловозы. Кроме того, на некоторых тепловозах, называемых компрессорными, привод сжатым воздухом – чистым или в смеси с паром или продуктами сгорания двигателя – являлся основным. Поэтому книга была бы неполной без описания первых пневмолокомотивов, а также компрессорных тепловозов.

И хотя большинство тепловозов с непосредственным приводом для трогания и разгона используют сжатый воздух или пар, известны также тепловозы, которые трогаются и разгоняются при помощи гидродинамических аппаратов. В этом случае привод содержит гидравлическое звено, используемое для трогания и разгона, и механическое, которое используется в диапазоне средних и высоких скоростей движения, причём в механической части отсутствует коробка скоростей; таким образом, получается тепловоз с постоянным соединением двигателя и движущих колёсных пар, т. е. с непосредственным приводом. Благодаря использованию гидравлических устройств для разгона, общий коэффициент полезного действия тепловоза, у которого непосредственный привод совмещён в одной конструкции с гидравлическим, может оказаться выше, чем тепловоза с непосредственным приводом, использующего для разгона сжатый воздух или пар. Примером простейшей конструкции такого типа является наличие гидромуфты, располагаемой между фланцем дизеля и отбойным валом тепловоза.

Написать эту книгу побудили научные изыскания, проведённые автором в 2013 – 2014 гг. при разработке двигателя внутреннего сгорания с регулируемым крутящим моментом2.

Именно тесная взаимосвязь между непосредственным и компрессорным приводом осей навела автора на мысль объединить эти два принципиально разных элемента силовой установки в единый агрегат, получивший название «Транспортный двигатель внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента». На базе этого двигателя разработана силовая установка, обладающая, по мнению автора, высокой теплотехнической эффективностью, что делает её перспективной для применения на тепловозах.

Название книги «Тепловозы. Вехи непройденного пути» как бы подчёркивает незавершённость того пути, по которому шли создатели чрезвычайно интересных локомотивов, описанных в данной книге, не получивших в своё время распространения на железных дорогах. Возможно, этот путь ещё предстоит пройти.

Чтобы дать читателю возможность получить более полное представление обо всех упомянутых локомотивах, автором предпринята попытка обобщить имеющийся в его распоряжении по этой теме довольно обширный, но разрозненный материал из различных печатных источников3, многие из которых стали уже библиографической редкостью, дополнив его в конце книги собственными разработками. В этой заключительной части книги автор попытался по-новому взглянуть на проблему создания тепловоза с непосредственным приводом и с этой точки зрения показать возможные перспективы развития локомотивов этого типа.

Кое-что удалось найти в интернете. В большинстве своём это англоязычные сайты, которые автор перевёл на русский язык, чтобы эти материалы можно было поместить в книгу.

При описании конструкций тепловозов и их систем автор старался использовать современную терминологию, но иногда приходилось придерживаться оригинальной терминологии источника, как правило, для обозначения той или иной системы тепловоза так, как их называли сами конструкторы.

ВВЕДЕНИЕ

Если проследить более чем вековую историю тепловозостроения, то можно увидеть два направления его развития.

Стремясь к упрощению и удешевлению тепловоза, многие инженеры искали решения в непосредственном действии двигателя внутреннего сгорания на движущие колёса. Проектов тепловозов непосредственного действия и их разновидностей, в которых движущие колёса приводятся во вращение прямо от двигателя внутреннего сгорания или с помощью фрикционных муфт, выполнено большое количество, некоторые из них даже были реализованы в виде опытных машин. Однако в целом это направление распространения не получило, и тепловозостроение пошло по другому пути развития.

Сторонники другого направления занимались поиском пригодной для условий локомотивной службы комбинации уже испытанных агрегатов и хорошо известных конструктивных элементов. Инженеры, работавшие в этом направлении, исходили из существующих свойств первичного двигателя внутреннего сгорания и изыскивали возможности применения его для тяги поездов путём использования промежуточных передач – электрической, гидравлической, пневматической, зубчатой, смешанной, играющих роль трансформатора частоты вращения и крутящего момента, передаваемого двигателем внутреннего сгорания движущим осям. Наибольшее распространение во всём мире получила электрическая передача. Доля тепловозов с электрической передачей составляет около 80% общего парка дизельных локомотивов. В меньшей степени применяются гидравлическая, гидромеханическая и механическая передачи.

Первые магистральные тепловозы, появившиеся в России, также имели электрическую передачу, позднее к ним добавился тепловоз с механической передачей. Этому пути развития тепловозостроения положили начало русские инженеры – профессора Я. М. Гаккель и Ю. В. Ломоносов.

Чтобы понять, почему до сих пор не удалось создать работоспособный тепловоз с непосредственным приводом движущих осей, полностью отвечающий всем требованиям тяги, следует кратко остановиться на особенностях и вытекающих из них основных свойствах двигателей внутреннего сгорания.

Среди существующих тепловых машин двигатель внутреннего сгорания обладает самым высоким коэффициентом полезного действия (к. п. д.), поскольку при сгорании топлива внутри цилиндра достигается высокая температура в процессе подвода тепла к рабочему телу. При этом сам процесс сопровождается меньшими тепловыми потерями, чем в случае внешнего подвода тепла. Наибольшая тепловая эффективность достигается у двигателя с самовоспламенением от сжатия, называемого дизелем по имени его создателя Рудольфа Дизеля. В дизелях происходит наиболее экономичное сжигание топлива, что делает эти двигатели особо привлекательными для применения на локомотивах. Если в паровозах при всех теплотехнических мероприятиях, которые только можно было осуществить, не удалось поднять к. п. д. выше 9%, то современные дизели работают с к. п. д. более 40%.

Вместе с тем двигатель внутреннего сгорания не может быть приведён в действие при неподвижных поршнях и совершать работу при низких скоростях их перемещения. Для трогания поезда с места и его разгона до скорости, когда двигатель начинает работать самостоятельно, необходим посторонний источник энергии. Это является одной из причин того, что локомотивы с двигателями внутреннего сгорания должны иметь промежуточную передачу между дизелем и колёсными парами, что увеличивает стоимость локомотива и расходы по его содержанию и ремонту.

Другой причиной применения промежуточной передачи является то, что двигатель внутреннего сгорания не обладает достаточно гибкой внешней характеристикой, требующейся машине транспортного назначения. Это происходит потому, что особенности его рабочего процесса, вытекающие из постоянства среднего индикаторного давления во всём скоростном диапазоне, не позволяют изменять в широких пределах момент на валу отбора мощности при изменении частоты вращения вала. Чтобы расширить эти пределы требуется форсировать двигатель, что приводит к его перегрузке. Однако дизель не переносит большой перегрузки, так как в этом случае в рабочих цилиндрах развиваются чрезмерно высокие температуры и давления. Поэтому непосредственное соединение вала двигателя с движущими осями локомотива не обеспечивает регулирование силы тяги в необходимых пределах.

Неудачный опыт с самым первым магистральным дизельным локомотивом с непосредственным приводом – тепловозом Общества Diesel-Klose-Sulzer – заставил представителей этого направления искать пути изменения свойств двигателя внутреннего сгорания и создания цикла, пригодного для локомотива.

Попытки создания тепловоза с непосредственным приводом в России предпринимали В. И. Гриневецкий, А. И. Липец, И. Ф. Ядов, М. И. Пригоровский, Е. Е. Лонткевич, Г. К. Хлебников и ряд других изобретателей и учёных.

Осуществить непосредственную передачу вращающего момента дизеля на оси тепловоза пытались и в других странах. Однако построенные за границей тепловозы также оказались плохо приспособленными к требованиям эксплуатации. У опытных тепловозов этого типа при переходе машин на работу по циклу Дизеля происходили резкие взрывы, не хватало воздуха или пара на разгон и т. д.

У тепловоза с непосредственным приводом, использующим для трогания с места сжатый воздух или пар, степень экономического эффекта по сравнению с тепловозами, имеющими передачу, зависит от скорости, при которой получается устойчивый, надёжный процесс сгорания. Чем меньше эта скорость, тем меньший требуется вспомогательный дизель-компрессор или паровой котёл для разгона поезда, тем больший период времени двигатель тепловоза может работать по дизельному циклу с высоким коэффициентом полезного действия.

Электрическая и другие виды применяемых в настоящее время передач полностью устраняют все трудности пуска в ход и гарантируют в большей или меньшей степени необходимую эластичность тяговой характеристики. Но тепловозы с передачами имеют существенные недостатки, от которых избавлен только тепловоз с непосредственным приводом.

Отрицательные качества тепловозов с передачей заключаются главным образом в необходимости иметь две различные энергетические системы на одном локомотиве с меньшей последующей отдачей мощности на ободе колёс и в более сложном регулировании. Тепловоз с передачей при значительном увеличении веса локомотива требует бóльших расходов на техническое обслуживание, увеличения длительности простоев в цехах для ремонта с одновременным ростом числа заходов на ремонт, необходимости более широкого применения специализированного персонала. Всё это снижает экономическую эффективность локомотива в целом.

Тепловозы с непосредственным приводом лишены этих отрицательных качеств, но такие локомотивы трудно осуществить на практике именно из-за сложности приведения в движение дизеля под нагрузкой и его неспособностью тянуть поезд на низких скоростях и сообщать ему необходимое ускорение.

При электрической передаче повышение веса локомотива выражается примерно в 25%, а первоначальной стоимости – в 33%, при гидравлической передаче – в 10 и 20%, соответственно, при механической передаче – в 12 и 15%.

Совершенно естественно, поэтому, стремление устранить совсем это промежуточное звено и осуществить непосредственный привод, т. е. передавать вращающий момент от двигателя на колёса непосредственно, подобно тому, как это осуществляется на паровозе.

Всякая передача отнимает у двигателя какую-то долю его мощности, затрачиваемую на трение передаточных частей механизма и на покрытие других потерь.

Электрическая передача, обеспечивающая хорошие тяговые свойства, громоздка, обладает значительным весом, требует расхода дорогих и дефицитных цветных металлов (главным образом меди) и дополнительной затраты мощности. Так, потери мощности от выходного вала дизеля до движущих колёс составляет до 20% номинала из-за потерь в главном генераторе, тяговых электродвигателях и преобразователях, затрат мощности на системы возбуждения и вентиляции электрических машин. По этой причине снижается эксплуатационный к. п. д. тепловоза.

Неизбежный разброс электромеханических характеристик тяговых электродвигателей приводит к повышению вероятности перегрева наиболее нагруженных из них и преждевременному срыву сцепления колёсных пар, приводимых во вращение этими двигателями. Для предотвращения боксования приходится применять специальные противобоксовочные устройства. Таким образом, электрическая передача значительно усложняет конструкцию и увеличивает стоимость тепловоза, а также усложняет его эксплуатацию и ремонт.

Коэффициент полезного действия

электрической передачи тепловоза ТЭ34.

Ограничение габаритов и массы применяемых тяговых электрических машин при необходимости повышения агрегатной мощности и момента привело к увеличению нагрузки активных элементов тяговых электродвигателей и, как результат, к интенсификации вентиляции с целью обеспечить заданный ресурс.

Интенсификация вентиляции и использование конструкционных материалов, допускающих более высокие нагрузки, неизбежно ведёт к возрастанию затрат энергии на охлаждение при эксплуатации тягового электродвигателя и повышению его цены. С ростом секционной мощности энергетических установок тепловозов эти затраты возрастают с 1% – у тепловозов серий ТЭМ1 и ТЭМ2, до 4,5% и 6%, соответственно, – у тепловозов 2ТЭ116 и ТЭ136.

Анализ паспортных тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей показывает, что мощность тепловоза ТЭ3 на ободе колёс составляет 77 ÷ 86% (в среднем 83%) от мощности, реализуемой на валу дизеля. У тепловозов 2ТЭ10 различных модификаций аналогичные показатели составляют, соответственно, 80 ÷ 87 (85) %, а у 2ТЭ116 – 82 ÷ 88 (87) %. Приведённые данные относятся к максимальным позициям контроллера машиниста (16-й у ТЭ3 и 15-й у 2ТЭ10 и 2ТЭ116)5.

Для сравнения интересно посмотреть данные, полученные из материалов испытаний тепловозов 2ТЭ10Л и 2ТЭ10В. Эти данные, приведённые в виде гистограмм частотных распределений потерь мощности в электрической передаче в реальных условиях работы тепловозов с учётом переменных режимов и переходных процессов в энергетической цепи, являются несколько завышенными, потому что из показанных потерь не выделены затраты мощности на вспомогательные нужды тепловоза.

Нивелируя эти неточности, можно обратить внимание на то, что паспортные и экспериментальные данные не противоречат друг другу. Таким образом, видно, что современные тепловозы с электрической передачей непроизводительно теряют 15 – 20% энергии, вырабатываемой дизелем, и, соответственно, примерно на эту же величину у них должен возрастать расход топлива по сравнению с тепловозами, имеющими непосредственный привод6.

Коэффициент полезного действия электрической передачи тепловоза 2ТЭ10.

Коэффициент полезного действия электрической передачи тепловоза 2ТЭ116.

Относительные потери мощности дизеля в электропередаче и 

вспомогательном оборудовании тепловоза 2ТЭ10Л.

Относительные потери мощности дизеля в электропередаче и

вспомогательном оборудовании тепловоза 2ТЭ10В.

Гидравлическая передача имеет меньший вес, не требует расхода цветных металлов, однако она обладает более низким коэффициентом полезного действия. Соответственно, здесь в ещё более выраженном виде будут проявляться те потери, которые наблюдаются у тепловозов с электрической передачей. В нашей стране тепловозы с гидропередачей не получили сколько-нибудь заметного распространения. Исключением, пожалуй, являются железные дороги Сахалина, где в силу габаритных ограничений тепловозов более узкой колеи затруднено размещение электродвигателей требуемой мощности. Также тепловозы с гидропередачей нашли применение на промышленном транспорте. Наибольшее распространение тепловозы с гидропередачей получили в Германии, но и там в последнее время наблюдается тенденция перехода на локомотивы с асинхронным электроприводом.

Наименьшие потери имеем в механической передаче (коробка скоростей с редукторно-карданным приводом), но здесь отсутствует возможность непрерывно изменять силу тяги во всём диапазоне её регулирования. Переключения ступеней сопровождаются провалами силы тяги и большими динамическими нагрузками в передаче, поэтому механическая передача неприменима для тепловозов большой мощности. Аналогично, ограниченная только малыми мощностями, передача сцеплением с использованием фрикционной муфты также не подходит для средних и больших мощностей.

Из вышесказанного следует, что проблему тепловоза нельзя считать окончательно решённой применением передач. Правда, многократные попытки решить проблему иным путём до сих пор не привели к успеху, но каждая из этих попыток, обнажая новые и новые противоречия, ближе и ближе ведёт к цели. Появившись в своё время как вынужденная мера, которая была необходима для скорейшего освоения дизельной тяги, тепловозные передачи сыграли и продолжают играть немаловажную роль в развитии тепловозостроения. Но задача создания более простого и дешёвого тепловоза никуда не делась и ждёт своего решения.

Двигатели, предназначенные для локомотивной службы, должны иметь рабочую характеристику, близкую к характеристике паровозной машины, которая для автономного локомотива является наиболее подходящей. Необходимо, чтобы тяговый двигатель внутреннего сгорания мог в широких пределах изменять среднее индикаторное давление, плавно изменять частоту вращения, имея возможность воспламенять топливо при весьма низкой скорости. Он должен быть простым, надёжным в эксплуатации и дешёвым.

Наличие такого двигателя дало бы возможность построить тепловоз, у которого поршень был бы связан шатуном с ведущими колёсами непосредственно или же через отбойный вал. Несомненно, что тепловоз с таким двигателем наиболее целесообразно и просто разрешит проблему применения его как тяговой единицы на железнодорожном транспорте. Трудности создания такого двигателя состоят не только в видоизменении существующих конструкций двигателей, но, главным образом, в изменении их рабочих процессов.

Опыт показал, что создать тепловоз, имеющий прямую связь дизеля с колёсами, несмотря на всю заманчивость этой идеи, – задача чрезвычайно трудная, и поэтому такие тепловозы до сих пор не нашли практического применения. Но если бы тепловозы с непосредственным приводом, имеющие требуемые тяговые свойства, были созданы, то значение их трудно было бы переоценить. Победа в этой области тепловозостроения имела бы большое значение. Думается, что сегодня, опираясь на современные технологии, можно было бы избежать ошибок создателей первых тепловозов с непосредственным приводом и по-новому решить проблему создания такого тепловоза.

Глава I

ПРЕДШЕСТВЕННИКИ ТЕПЛОВОЗОВ

1.1. Локомотивы на сжатом воздухе

Сжатый воздух используется с XIX века для привода локомотивов, работающих на предприятиях горной промышленности. Помимо этого, в некоторых городах сжатый воздух использовался для привода трамваев, питавшихся от центральной общегородской пневматической распределительной сети. Первые пневматические локомотивы появились всего лишь на 15 – 20 лет позже стефенсоновского паровоза как альтернатива паровой тяге.

Пневмоустановки получили широкое применение там, где дым, искры и пар из куда более эффективной паровой машины были неприемлемы (на городских улицах и внутри угольных шахт) в то время, когда электричество ещё не было распространено в качестве источника энергии для двигателей. По мере развития электроэнергетики локомотивы с двигателями, работающими на сжатом воздухе, были постепенно заменены электрической тягой.

Локомотивы, работающие на сжатом воздухе, приводятся в движение пневмодвигателями. Такой привод называется пневматическим. Эти локомотивы появились намного раньше, чем были выполнены проекты первых тепловозов. Пневмодвигатели имеют один или несколько цилиндров, в которых перемещаются поршни. Пневмодвигатели принципиально по конструкции очень похожи на паровые машины или гидродвигатели. Воздух перед впуском в двигатель целесообразно нагревать для повышения отдачи энергии. Особенно это актуально с учётом того, что расширяющийся в пневмодвигателе воздух охлаждается. У пневмолокомотивов отсутствует собственный генератор энергии, они используют готовую энергию в виде сжатого воздуха, приготавливаемого на зарядных станциях. Вместо сжигания смеси топлива с воздухом в двигателе и последующей передачи энергии поршням от горячих расширяющихся газов, в пневматических локомотивах передача энергии поршням осуществляется от сжатого воздуха, запасённого в баллонах. Баллоны для хранения сжатого воздуха разрабатываются в соответствии с требованиями безопасности для сосудов, работающих под давлением. Принципиальным недостатком является непрямое использование энергии. Сначала энергия используется для сжатия воздуха, а потом от сжатого воздуха передаётся двигателю. Каждое преобразование энергии осуществляется с потерями, что обуславливает более низкий коэффициент полезного действия пневмолокомотивов чем, например, дизельных или, тем более, электротранспорта.

Принцип действия пневматических локомотивов впоследствии был положен в основу компрессорной передачи тепловозов. Поэтому пневмолокомотивы можно с полным правом считать предшественниками компрессорных тепловозов и тепловозов с непосредственным приводом, разгоняющихся сжатым воздухом.

При использовании на локомотивах сжатого воздуха в качестве рабочего тела возникает ряд проблем. Сжатый воздух имеет низкую энергетическую плотность. С учётом возможности нагрева воздуха его энергетическая плотность при давлении 300 ат7 не превышает 30 кВтч/м3, что сопоставимо с ёмкостью электрохимических свинцовых аккумуляторных батарей. Однако по мере разряжения батарей напряжение на их выходах падает относительно слабо. В то же время, давление на выходе из баллонов будет падать по мере расходования воздуха, если не принять специальных конструктивных мер, например, использовать резервуар с переменным рабочим объёмом. В этом случае по мере расходования воздуха объём будет уменьшаться, а давление оставаться примерно постоянным. Сжатие газа генерирует большое количество тепла, и вся эта энергия теряется при хранении воздуха, когда он остывает. Эти потери могут быть уменьшены, если сжимать воздух в двух или более ступенях, охлаждая его между ступенями, но всё равно потери будут оставаться значительными. С другой стороны, в процессе, использующим сжатый воздух для работы двигателя, главной проблемой является получение работоспособной системы. Когда газ расширяется, он охлаждается, и если запасённый воздух не является совершенно сухим (а это так и есть), в трубопроводе и цилиндрах двигателя влага начнёт замерзать, и двигатель скоро прекратит работу и остановится. Сжатый воздух, используемый в двигателе локомотива, смешивается со смазкой, применяемой для уменьшения сил трения и снижения износа пневмооборудования, что приводит к загрязнению окружающей среды.