АКТУАЛЬНАЯ ТЕМА

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:

1. проверку долговечности деталей и узлов - на термическую и механическую прочность; - на износ;
2. проверку безопасности испытуемого образца двигателя, включая его экологические характеристики;
3. проверку стабильности параметров и характеристик двигателя, его штатных агрегатов, механизмов и устройств на период работы до первой переборки;
4. оценку срока службы масла.
   

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.

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:

• - эксплуатационный расход топлива снижен на 10:20 %;
• - расход моторного масла снижен в 2:3 раза;
• - межремонтные сроки увеличены в 1,5 раза;
• - улучшены экологические показатели.

Тем не менее, продолжается работа над двигателем Д49, направленная на:

• - увеличение цилиндровой мощности до 260 кВт;
• - улучшение топливной экономичности до 3 % в широком диапазоне эксплуатационных режимов;
• - снижение расхода масла на угар на 15:20 %;
• - оборудование дизелей системами электронного управления и топливоподачи.

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.

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.