Евгений Никитин,
главный конструктор по машиностроению ОАО "Коломенский завод", д.т.н., профессор |
В 1924 г. мир отметил столетие применения на железной дороге первого паровоза конструкции английского инженера Джорджа Стефенсона. Менее известно, что в ноябре того юбилейного года на железной дороге появился локомотив нового типа - тепловоз. Идея его создания была высказана еще до Первой мировой войны и принадлежит российским инженерам и ученым. По проектам ЮЭ001 инженера-механика Ю.В. Ломоносова и ЮЭ002 инженера-электрика Я.М. Гаккеля были построены два первых в мире поездных тепловоза. После проведенных испытаний с 4 февраля 1925 г. началась регулярная эксплуатация одного из них - тепловоза ЭЭЛ2 (ЮЭ001).
Прошедшие после этого 75 лет можно разделить на три заметных, отличающихся друг от друга периода.
Первые 30 лет - время научного поиска, отработки конструкций, накопления производственного опыта. Следующие 35 лет, начиная с 1955 г., - рост тепловозостроительного производства и широкое распространение тепловозной тяги на железных дорогах СССР. Последний период (с 1990 г.) непосредственно связан с известными изменениями в политике и экономике страны и возникшими в связи с этим трудностями и проблемами.
![]() |
![]() |
Проектный эскиз тепловоза Юэ001
|
Проектный эскиз тепловоза Юэ0012
|
Тем не менее, многим заводам после реструктуризации производства удалось сохранить научно-технический и производственный потенциал, обновить номенклатуру выпускаемой продукции. Однако достичь этого смогли только те предприятия, которые имели давние традиции и богатый опыт создания железнодорожной техники. К ним относится и Коломенский завод, основанный еще в 1863 г. инженерами братьями Струве.
Началось все с изготовления мостов, затем вагонов, паровозов и пароходов, а с 1903 г. - двигателей Дизеля. Конструкторы созданного в 1902 г. отдела "тепловых двигателей дизеля и насосов" разработали конструкции одно-, двух-, четырех- и шестицилиндровых двигателей мощностью от 10 до 750 л.с. Коломенские дизели, отличавшиеся удачной конструкцией и качеством исполнения, пользовались широким спросом в промышленности и транспорте. К 1917 г. суммарная мощность дизелей, выпущенных заводом, составила свыше 125 тыс. л.с.
В 1930 г. завод впервые в стране применил на двигателях ЧН30/38 систему газотурбинного наддува, повысившую мощность на 25 %. Двигатели этого семейства широко использовались в ВМФ.
Заметной вехой в развитии судового дизелестроения на заводе явилось создание и передача в серийное производство в 1950 г. двухтактного дизеля 37Д (ДН39/45) с прямоточно-клапанной продувкой, определившего развитие целого поколения кораблей ВМФ.
В 50-е гг. была завершена прерванная войной доводка двухтактного V-образного реверсивного дизеля 30Д (12УДН23/30) мощностью 2000 л.с., по многим параметрам превосходившего лучшие зарубежные образцы аналогичного класса.
На базе конструкции этого дизеля были разработаны и запущены в серийное производство судовые дизели 40Д с газотурбинным наддувом, а также тепловозные дизель-генераторы 14ДГ (12VДН23/30) мощностью 2000 л.с. и 11Д45 (16VДН23/30) мощностью 3000 л.с., устанавливавшиеся на тепловозах М62 и ТЭП-60. Почти 12 тыс. дизелей этого типа изготовлено заводом.
Расширение диапазона мощностных рядов и необходимость удовлетворения специфических требований различных потребителей должны были быть увязаны с возможностями организации современного крупносерийного производства. Важная проблема при этом - создание максимально агрегатированной конструкции двигателя, что позволяет организовать высокооснащенное специализированное производство узлов двигателя как на базовом предприятии, так и на заводах-смежниках. Цель агрегатирования - создание таких конструкций узлов, которые, будучи изготовлены, проконтролированы и испытаны до общей сборки двигателя, не нуждаются в дополнительных проверках и подгонках при общей сборке. Оптимальное агрегатирование и модульность дают большие преимущества и потребителю, так как сокращают время сборки и позволяют организовать у него специализированные участки ремонта, что прямо влияет на качество и производительность труда.
Удачное решение компоновочных проблем двигателей Коломенского завода позволяет на длительное время сохранить преемственность и развитие технологического обеспечения производства двигателей, обстоятельно изучить вопросы прочности и надежности, а высокая модульность конструкции - разместить все вспомогательное оборудование, обслуживающее дизель, на силовом дизельном агрегате.
Значительное внимание уделено вопросам подбора материалов, покрытий и химико-термической обработки. Для втулок цилиндров и поршневых колец на заводе созданы специальные марки чугунов, отличающихся высокими антифрикционными и прочностными свойствами в рабочих условиях. Крышки цилиндров на заводе (одном из первых в стране) отливаются из высококачественного легированного чугуна с глобулярным графитом собственного химического состава.
Используются почти все современные методы химико-термической обработки и покрытий для обеспечения износостойкости и высоких ресурсных показателей. Коленчатые валы азотируются, а галтели их накатываются. В коренных и шатунных подшипниках применяется трехкомпонентное покрытие (Pb, Sn, Cu) с подслоем Ni. Для антифрикционного покрытия тронков поршней отработана специальная технология нанесения дисульфида молибдена.
Приведенные примеры лишний раз подчеркивают огромное влияние технологической подготовки и оснащенности производства на качество и долговечность двигателей. Оптимальное сочетание возможностей конструкции и технологии - главное требование создания работоспособной конструкции.
Поузловая доводка - необходимое условие создания работоспособной конструкции форсированного двигателя в целом. С этой целью на заводе был создан комплекс лабораторий, оснащенных специальными стендами для снятия характеристик, оценки долговечности и прочности узлов. Благодаря принципам агрегатирования, заложенным в конструкцию дизелей, практически любой его узел может быть подвергнут испытаниям на безмоторном стенде. Созданы специальные программы, позволяющие с имитацией реальных условий работы оценить необходимые параметры, надежность и долговечность узлов при ускоренных в 5:10 раз по времени испытаниях. Таким испытаниям подвергаются все основные узлы двигателя.
Опыт показывает, что поузловые испытания с необходимой имитацией и разделением рабочих нагрузок часто являются единственным способом для подробной оценки характеристик и доводки узла.
Характерными примерами являются методы испытания блоков с помощью силовых цилиндров, нагружаемых от гидропульсаторов, и испытания коленчатых валов на гидропульсационной установке. При этом величина перегрузки выбирается исходя из необходимости обеспечения требуемого запаса прочности.
![]() |
![]() |
Применявшийся ранее заключительный этап создания двигателя основывался на длительных стендовых испытаниях полноразмерной модели.
В связи со значительным увеличением ресурсов, в том числе и до первой переборки, ростом стоимости ГСМ и обслуживания, начали разрабатываться методы ускоренных испытаний, которые в настоящее время достаточно широко используются в дизелестроении. Однако анализ известных отечественных и зарубежных программ таких испытаний показал, что для транспортных форсированных двигателей указанные программы не могут быть использованы без серьезного риска заказчика из-за неполноценности режимов испытаний.
Типовые программы ускоренных испытаний включают:
Продолжительность каждого испытания определяется характером проверки. Например, термоусталостные разрушения связаны с накоплением остаточных напряжений при циклах "нагрев - охлаждение" деталей камеры сгорания. Величины остаточных напряжений зависят от максимального уровня и перепада температур, количества теплосмен. При проверке на термоусталость создается максимальное количество теплосмен, равное их числу при работе двигателя в условиях эксплуатации, с учётом коэффициента запаса на возможные отклонения. Оценка ресурса деталей проводится по заводской методике по уровню остаточных напряжений в деталях.
Усталостная прочность проверяется выработкой базового количества циклов, необходимого для оценки долговечности по условиям механических нагружений. При этом учитывается, что реально детали двигателя работают в сочетании механических и термических нагрузок, воздействия агрессивных сред и увеличивающихся зазоров, что меняет характер нагружения и приводит к уменьшению количества циклов нагружения до появления повреждения при отсутствии достаточных запасов прочности. Анализ статистических данных, полученных при эксплуатации двигателей, позволяет разделить дефекты на конструкторские, технологические и эксплуатационные и правильно выбрать базовое число циклов нагружений.
Проверка деталей двигателя на износ и оценка срока службы до предельного износа заключается в нахождении коэффициента эквивалентности износа при ускоренных испытаниях и при работе на эксплуатационных режимах, что определяется сравнением скоростей поступления характерных изнашиваемых металлов в масло.
Важным требованием программы ускоренных испытаний транспортных дизелей является впервые введенная оценка срока службы масла. Специальная методика позволяет определить скорость и глубину окисления масла и выбрать величину коэффициента эквивалентности ускоренной проверки сроков службы масла. Надо отметить, что ранее этому вопросу при выборе программ ускоренных испытаний обычно не придавалось серьезного значения.
Ускоренные испытания осуществляются с помощью многоуровневых систем, в которых для управления режимами работы объекта и систем стенда, а также для регистрации, накопления, обработки и оформления результатов испытаний используются управляющие вычислительные комплексы на базе ЭВМ. Следует отметить, что первый автоматизированный стенд для ускоренных испытаний тепловозных дизель-генераторов мощностью до 4000 л.с. был создан на Коломенском заводе в 1972 г.
Эта методика была разработана и проверена при доводке форсированных дизелей семейств 30/38 и 26/26. Она позволила в 4:6 раз сократить продолжительность испытаний на срок до первой переборки и получить полную характеристику двигателя по надежности и ресурсу без риска для заказчика. В настоящее время методика согласована со всеми потребителями коломенских дизелей.
Сегодня заводом выпускаются дизели двух мощностных рядов: типа 26/26 (Д49) и 30/38 (Д42).
Дизели Д49 - четырехтактные с газотурбинным наддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. Диаметр цилиндра и ход поршня 260 мм, число оборотов 750:1000 об/мин.
В рядном исполнении выпускаются 4- и 6-цилиндровые двигатели, а в V-образном - 8-, 12-, 16- и 20-цилиндровые.
Двигатели могут быть оборудованы для работы по газодизельному циклу или для работы на газе.
Характеристики дизелей и дизель-генераторов Д49
|
|
Диапазон мощности, кВТ |
360...5000
|
Расход топлива (при условиях ISO 3041/1), г/кВт-ч |
178...185
|
Расход масла на полной мощности, г/кВт-ч |
1,0
|
Среднее эффективное давление, бар |
<=22,9
|
Ресурс до первой переборки (в зависимости от режимов работы), тыс. ч |
12...25
|
Ресурс до капитального ремонта, тыс. ч |
64...100
|
Примечание :экологические показатели соответствуют требованиям европейских норм цикла F (ISO 8178-4). |
Конструкция двигателей является патентно чистой в отношении ведущих зарубежных стран - производителей дизелей. Сертифицированы 13 моделей дизелей и дизель-генераторов ЧН 26/26. Эти дизели используются в тепловозостроении, на карьерных автосамосвалах большой грузоподъемности, стационарных и морских буровых установках, передвижных и блочно-транспортабельных электростанциях, судовых дизель-генераторах и др.
Заводом освоено производство блочно-транспортабельных электростанций, работающих по дизельному циклу мощностью от 315 до 4000 кВт, и по газодизельному циклу мощностью 1000 и 1500 кВт.
Из 12 тысяч дизелей Д49, выпущенных заводом, более 20 % поставлено на экспорт. Они хорошо зарекомендовали себя во Франции, Египте, Сирии, Пакистане, Иране, Германии и ряде других стран. Коломенский завод выиграл тендер на поставку Германии своих дизелей: в сравнительных испытаниях на однотипных тепловозах 232-й серии немецких железных дорог с дизелями Коломенского завода 1-26ДГМ и дизелями М232 MAK KRUPP (Германия) и CAT 3608 Caterpillar (США) дизели Д49 показали свои преимущества по экономичности, надежности и экологическим характеристикам.
В связи с тем, что тепловозный парк МПС РФ насчитывает значительное число магистральных грузовых тепловозов ТЭ10 и М62, а также чешских маневровых тепловозов ЧМЭ3, дизели которых морально и физически устарели, не соответствуют современным требованиям и, вследствие выработки ресурса, подлежат замене, ОАО ХК "Коломенский завод" и Всероссийским научно-исследовательским институтом тепловозов и путевых машин (ГУП ВНИТИ МПС РФ) разработаны и осуществлены проекты модернизации тепловозов указанных типов.
В основу проектов положена замена дизелей устаревшей конструкции на сертифицированные современные четырехтактные дизели типа Д49 Коломенского завода с сохранением главного генератора, электро- и вспомогательного оборудования. При этом решаются основные задачи: продление срока службы тепловозов на 15-20 лет и снижение стоимости их жизненного цикла.
Межведомственные испытания и эксплуатация модернизированных тепловозов показали, что при сохранении их основных параметров - мощности, конструкционной скорости и касательной силы тяги длительного режима:
Тем не менее, продолжается работа над двигателем Д49, направленная на:
Что касается четырехтактных дизелей ЧН 30/38 в рядном исполнении, то они изначально создавались для нужд судостроения и удовлетворяют требованиям, предъявляемым к двигателям данного назначения. Двигатели неоднократно модернизировались и в настоящее время характеризуются высокой надежностью и износостойкостью деталей и сборочных единиц. Достигнуто это азотированием коленчатых валов и втулок цилиндров, хромированием поршневых колец, покрытием тронков поршней дисульфидом молибдена, трехкомпонентным покрытием тонкостенных вкладышей шатунных и коренных подшипников и многим другим. Конструкция этого двигателя также проверена на патентную чистоту.
Характеристики дизелей и дизель-генераторов Д42
|
|||
Параметр
|
Количество цилиндров
|
||
4
|
6
|
8
|
|
Мощность, кВт |
450...1450
|
800...2170
|
3150...2800
|
Частота вращения коленчатого вала, об/мин |
300...750
|
||
Расход топлива (в условиях ISO 3046/1), г/кВт-ч |
178...185
|
||
Расход моторного масла, г/кВт-ч |
1
|
||
Среднее эффективное давление, бар |
<=23,4
|
||
Ресурс до первой переборки, ч |
15 000
|
||
Ресурс до капитального ремонта, ч |
75 000
|
ОАО ХК "Коломенский завод" получена "Лицензия на разработку и производство судовых дизелей и дизель-генераторов для кораблей военно-морского флота" а также "Свидетельство о признании" Российского Речного Регистра. Коломенский завод является крупнейшим в России производителем среднеоборотных дизелей - к 2000 г. заводом выпущено свыше 37 тысяч дизелей и дизель-генераторов суммарной мощностью около 80 миллионов лошадиных сил. Служба сервиса ОАО ХК "Коломенский завод" действует как в пределах России, так и в ближнем и дальнем зарубежье. Необходимо отметить, что ожидаемый в 2000 г. рост речных грузовых перевозок приведет к необходимости модернизации существующих судов и постройке новых. В любом случае без современных дизельных двигателей не обойтись.
Что касается железных дорог России, то подготовлен проект федеральной программы "Разработка и производство в России грузового подвижного состава нового поколения", предусматривающий создание в 2003-2005 гг. тепловозов третьего поколения.
Эти тепловозы будут оснащаться высокоэкономичными четырехтактными дизелями с электронным регулятором частоты вращения и впоследствии (по мере доработки) с электронным управлением впрыска топлива. Предусматривается использование микропроцессорных систем поосного регулирования силы тяги, электрического торможения и вспомогательных нужд.
МПС России выдало ОАО "Коломенский завод" техническое задание на разработку такого пассажирского тепловоза мощностью 3309 кВт (4500 л.с.), и готовятся технические требования на постройку таких грузовых тепловозов в ОАО "Брянский машиностроительный завод".
Работы по совершенствованию тепловозов продолжаются, и тепловозная тяга на железных дорогах еще долго будет обеспечивать перевозку грузов и пассажиров.