Проектирование грузового тепловоза

ВВЕДЕНИЕ

В 70-е и 80-е годы на Ворошиловградском (ныне Луганском) тепловозостроительном заводе создавались проекты конструкторов над сверхмощными грузовыми тепловозами. Проектирование и постройка опытных образцов были не чередой отдельных мероприятий, а частью комплексной программы освоения серийного производства нового поколения локомотивов, которые позволили бы повысить провозную способность железнодорожного транспорта.

70-е годы прошлого века характеризовались резким ростом грузоперевозок на сети дорог СССР. Многие направления магистралей подходили к пределу пропускной способности, и без серьезной реконструкции технических средств дальнейшее развитие транспорта стало невозможным. Во главу угла было поставлено повышение массы и длины поездов, причем требовалось, чтобы тяжеловесные и длинносоставные следовали на всем направлении без переформирования. Для этого на участках с электрической и тепловозной тягой весовые нормы поездов должны быть одинаковы. Но даже самые мощные из эксплуатировавшихся тогда тепловозов не могли обеспечить выполнение этих требований.

По расчетам ученых ВНИИЖТа, в локомотивном парке отечественных железных дорог из общего числа грузовых магистральных тепловозов 40 % должны были составлять с дизелями мощностью 4000 л.с., столько же - 6000 л.с. и только 20 % - 3000 л.с. К тому времени наиболее мощными были тепловозы 2ТЭ10Л с устаревшими двухтактными дизелями 10Д100 мощностью 3000 л.с. Как известно, они имеют электропередачу постоянного тока, экипажную часть с нагрузкой от колесной пары на рельсы 21,7 тс. Длительная сила тяги одной секции такого локомотива составляет 25,3 тс при расчетной скорости 24,7 км/ч. Возможности дальнейшего повышения мощности дизеля 10Д100 и тягового генератора постоянного тока ГП-311Б были уже исчерпаны.

В начале 70-х годов был создан тепловоз 2ТЭ116 с перспективным четырехтактным дизелем Д49, электропередачей переменно-постоянного тока и бесчелюстными тележками с нагрузкой от колесной пары на рельсы 23 тс.

Этот локомотив рассматривался как переходный этап к созданию более мощных машин. Но и при мощности дизеля только 3060 л.с. доводка конструкции тепловоза, освоение его производства и эксплуатации происходили чрезвычайно трудно. Ворошиловградские тепловозостроители были вынуждены буквально по ходу производства вносить коренные изменения в конструкцию основных узлов. В частности, проблемы касались надежности коломенских дизелей, немало пришлось поработать и над электрооборудованием.

Несмотря на все трудности, в Ворошиловграде продолжали идти вперед и решали еще более сложные задачи. Продумывая стратегию создания перспективных локомотивов, конструкторы Ворошиловградского завода и специалисты МПС пришли к выводу, что тепловозы нового поколения должны представлять собой единое семейство локомотивов с широкой унификацией по силовым установкам, электрооборудованию, кузову, тележкам и другим узлам. В качестве базовой серии был принят тепловоз 2ТЭ121 в составе двух шестиосных секций с дизелями мощностью 4000 л.с. На первый взгляд может показаться, что создание такого локомотива не является принципиально трудной задачей. Ведь к тому времени уже существовали тепловозы ТЭП70 с дизелями той же мощности.

Однако нельзя забывать, что ТЭП70 - пассажирский локомотив, сила тяги которого в длительном режиме составляет лишь 17 тс, тогда как для секции грузового тепловоза такой мощности этот показатель должен быть не меньше 30 тс. По расчетам, масса его одной секции должна была составлять 150 т, а нагрузка от колесной пары на рельсы - 25 тс. При ранении традиционной конструкции экипажной части с опорно-осевым подвешиванием тяговых электродвигателей (ТЭД) такая нагрузка неминуемо привела бы к повышенному воздействию на рельсы, к чему путевое хозяйство на большинстве участков с тепловозной тягой не было готово.

Поэтому одним из технических требований МПС было применение опорно-рамного подвешивания ТЭД. Такая схема тягового привода позволяет резко уменьшить массу неподрессоренных частей тележки и, как следствие, снизить ударные нагрузки на рельсовый путь. При создании тепловоза был максимально учтен опыт, накопленный при доводке конструкции тепловозов ТЭ109, 2ТЭ116 и ТЭ125. Несмотря на многие сложности, коллектив Ворошиловградского тепловозостроительного завода в достаточно короткие сроки сделал все возможное, чтобы не только построить тепловоз 2ТЭ121, но и превратить его в работоспособный локомотив.

Впечатляет даже простое перечисление принципиальных нововведений в конструкцию тепловоза 2ТЭ121: кузов несущей конструкции, кабина машиниста капсульного типа, опорно-рамное подвешивание ТЭД. Были внедрены: тяговый агрегат, состоящий из тягового и вспомогательного генераторов, скомпонованных в одном корпусе; шестиполюсные тяговые двигатели; осевой вентилятор централизованного воздухоснабжения электрооборудования. Нашли применение вентиляторы охлаждающего устройства переменной производительности с поворотными лопастями; система регулирования электропередачи, созданная на основе комплектных устройств автоматики; электродинамический тормоз.

Все это позволило изготовить локомотив, у которого длительная сила тяги, приходящаяся на один колесно-моторный блок, достигает пяти тонн, а с перспективой постройки тепловозов с секционной мощностью по дизелю 6000 л.с. - шести. Заметим, что такой показатель на сегодня имеют только локомотивы американских железных дорог, но там допускается значительно большая нагрузка от колесной пары на рельсы - до 30 тс и, к тому же, применяется традиционное опорно-осевое подвешивание тяговых двигателей.

Стоит отметить, что работа над новым локомотивом шла в то время, когда и с его гораздо более простым предшественником 2ТЭ116 конструкторы столкнулись с массой проблем. В 1977 г. был выпущен первый тепловоз 2ТЭ121. Однако он оказался чрезмерно тяжелым, и заводские специалисты были вынуждены в кратчайшие сроки пересмотреть конструкцию локомотива. Второй тепловоз был построен в 1979 г. Длина его секции была уменьшена с 22 до 21 м, а масса уложилась в установленные пределы - 150 т ±3 %. Одновременно были внесены усовершенствования в большинство элементов механического и электрического оборудования.

В 1983 г. с № 005 был начат выпуск тепловозов 2ТЭ121, которые имели усовершенствованный дизель Д49 и обновленный внешний вид. Эти локомотивы поступили для вождения грузовых поездов в депо Печора Северной дороги, а затем в депо Попасная Донецкой. В ходе серийного изготовления тепловозов проводилась доводка их конструкции. Наиболее уязвимым оказался узел тягового привода с резино-кордовой муфтой, но Ворошиловградские машиностроители постепенно решили и эту сложную задачу. Строить тепловозы 2ТЭ121 прекратили в 1992 г. - не по причине технических недостатков, а в связи с распадом СССР и отсутствием заказов. Всего завод успел выпустить 76 таких локомотивов (152 секции). В 1981 - 1982 гг. Ворошиловграде изготовили четыре тепловоза 2ТЭ116А с дизелями мощностью 3000 л.с. По конструкции кузова, основного механического и электрического оборудования эти локомотивы были максимально унифицированы с тепловозами 2ТЭ121 (№ 002 - 004), а тележки были аналогичны 2ТЭ116. В связи с этим созданные локомотивы имели весьма необычный внешний вид: тяжелая верхняя часть и относительно небольшие тележки. При этом между рамой кузова и тележками было такое расстояние, что при желании в это пространство можно было пролезть. Тепловозы 2ТЭ116А с номерами 001 - 004 некоторое время работали в депо Кочетовка Юго-Восточной дороги.