Давайте помечтаем

Каким будет будущий тепловоз? Этот вопрос сейчас вполне правомерен, поскольку бурно развиваются различные виды транспорта. Совершенствуются воздушные и "автомобильные перевозки. По-

Рис. 9. Расход энергии различными видами транспорта при скорости 200 км/ч. За 100% принят расход энергии при перевозке 1 т груза самолетом.

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

Можно предположить, что в 1980 г. грузооборот железных дорог СССР составит около 3700 млрд. ткм, а к 2000 г. эта цифра увеличится еще примерно в 1,5 раза. Подобная картина складывается и по пассажирским перевозкам. 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, надежности и динамическим качествам локомотива.

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

С 1964 г. 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. Благода-

ря чему это достигается? Для ответа на такой вопрос достаточно взглянуть на рис. 9, где показан расход мощности для Перемещения различных транспортных средств со скоростью 200 км/ч. Оказывается, что Для перевозки 1 т с такой скоростью на самолете с пропеллером расходуется мощность 80 л. с, а на железнодорожном транспорте в этих же условиях требуется мощность в 5 раз меньшая, чем у самолёта, и в 3 раза меньшая, чем у автомобиля. Даже транспортные средства на воздушной подушке, о которых часто пишут как о будущих средствах перемещения пассажиров и грузов, требуют затраты большего количества энергии.

Древние легенды рассказывают, что Антей, получал свою силу от связи с землей. Точно так же и железнодорожный транспорт обладает замечательными свойствами расходовать мощность на передвижение грузов наиболее экономно из всех видов транспорта благодаря связи колес с рельсами. Ведь образование силы тяги при качении колес локомотива по рельсам происходит при к. п. д., 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 все труднее. Уже сейчас бригада тепловоза на английских железных дорогах при скорости движения 160 км/ч меняется через каждые 3 ч — люди с трудом выдерживают большое нервное напряжение. Поэтому требуется создавать новые автоматические системы управления, облегчающие труд машиниста. В результате ведение 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 еще 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 ее колоссальное преимущество перед человеком. По мере поступления все 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 вперед: 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 ее применению и на тепловозах.

Какие же тепловозы потребуются для перспективных перевозок?

Исследования, проведенные ЦНИИ МПС, Институтом комплексных транспортных проблем, ВНИТИ и другими организациями, показывают, что для обеспечения всех перевозок требуются тепловозы различной мощности и силы тяги. При этом потребность в локомотивах по градациям силы тяги ориентировочно показана в табл. 6. В настоящее время ма-

Таблица 6 Полигон тепловозов для обеспечения перевозок МПС

Параметры	1	2	3	4	5	6	7
Сила тяги, т	20	30	40	50	60	70	80
Потребное количество,
% к общему парку	30	35	25	10	5	3	2

гистральный локомотивный парк оснащен в основном тепловозами ТЭЗ с силой тяги 2×20 т. Эти тепловозы имеют недостаточную мощность для реализации оптимальных скоростей движения поездов. Для обеспечения перспективной потребности в грузовых перевозках необходимо создать шестиосные тепловозы мощностью 4000 и 6000 л. с. в секции. Внедрение этих тепловозов позволит уменьшить эксплуатационные расходы на 10% и поднять вес грузовых поездов до 6500 т.

В 900 км южнее Москвы в Донецком бассейне расположен большой индустриальный центр Украинской ССР Ворошиловград. Здесь в 1896 г. был основан паровозостроительный завод, который с 1956 г. стал центром тепловозостроения в нашей стране. Здесь трудится около 30 тыс. человек, из которых 15% составляют научные работники и инженеры. Большое конструкторское бюро работает над созданием перспективных тепловозов.

До сих пор мы говорили только о том, что уже реализовано или будет сделано в ближайшие годы. Теперь можно заглянуть в будущее и представить себе тепловоз, каким он будет в 2000 г. Ведь локомотивы служат десятки лет. Тепловозы, построенные в 1970 г., должны работать до конца нашего века. Однако мы хотим представить себе не сегодняшний уровень, а локомотив, который будет выпущен на тепловозостроительном заводе в 2000 г. Для этого не надо быть фантастом, а достаточно проанализировать отдельные достижения современного тепловозостроения и мысленно сконцентрировать их на одном локомотиве.

Прежде всего, какова будет степень использования тепла топлива?

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

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

Нет, этого не произойдет, 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 турбиной 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 все 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 ее изготовления, эксплуатации и ремонта. В будущем 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 дешевого жидкого топлива.

Экономичность тепловоза зависит не только от первичного двигателя, но и от передачи. На современных магистральных тепловозах 2ТЭ10Л при длительном режиме работы главный генератор перерабатывает механическую энергию от вала двигателя в электричество почти полностью (94-96%). Эффективность трансформации энергии в тяговом электродвигателе вместе с зубчатой передачей также достаточно высока: 90-92%.

Общий к. п. д. тепловоза может быть представлен произведением к. п. д. дизеля, генератора и тягового электродвигателя. Для тепловоза 2000 г. можно ожидать:

г, = 0,40 X 0,95 X 0,91 = 34,5 %.

Это значение лишь немного превышает к. п. д. современного тепловоза.

Главной задачей тепловозостроителей остается создание надежных и дешевых 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 отпадет потребность в уходе за коллекторами и контактами. Синхронные генераторы переменного тока у нас уже освоены и эксплуатируются на некоторых отечественных тепловозах. Остается создать тяговые электродвигатели переменного тока.

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

Технико-экономические расчеты показывают, что освоение грузооборота железных дорог будет происходить благодаря увеличению веса и скорости поезда. В 2000 г. будут формироваться грузовые составы весом 8-10 тыс. т. Возрастут и скорости их движения. За предшествующие 30 лет-с 1940-по 1969 г. 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 провел расчеты, позволившие установить значения максимальных скоростей движения на ближайшую перспективу: для грузовых поездов 100 км/ч, для. рефрижераторных 120 км/ч, а для скорых пассажирских еще выше. Реализация этих скоростей должна быть предусмотрв-

на в первую очередь на основных магистралях. Путь Моек-ва — Ленинград намечается подготовить для дальнейшего повышения скорости до 200 км/ч.

Будущий тепловоз будет иметь высокоэффективную электрическую передачу переменного тока с трехфазным 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 самолете, а человеку отводится более квалифицированная роль — контроль за работой автоматики.

Тепловозы завтрашнего дня создаются сегодня в лабораториях ученых и в конструкторских бюро наших заводов. Пройдет немного времени и они приступят к проектированию новых локомотивов, которые будут изготовляться в 2000 году.