Centr innovacionnogo razvitiya STM


 

Антон Зубихин, генеральный директор ООО «Центр инновационного развития СТМ»

Евгений Федоров, главный конструктор ООО «Центр инновационного развития СТМ»

Алексей Тарасов, заместитель главного конструктора ООО «Центр инновационного развития СТМ»

Вадим Малахов, заместитель главного конструктора ООО «Центр инновационного развития СТМ»

Алексей Дубинин, аналитик, эксперт ООО «Центр инновационного развития СТМ»

 

 

Маневровый тепловоз с гибридной силовой установкой ТЭМ9Н «SinaraHybrid» четырехосный локомотив с электрической передачей переменно-переменного тока, индивидуальным приводом колесных пар, суммарной мощностью 1 200 л.с., сочетающий в себе наличие экологичного дизельного двигателя внутреннего сгорания средней мощности и комбинированного накопителя энергии из литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов.

Инновационный проект по разработке первого отечественного маневрового локомотива с гибридным приводом разрабатывается инжиниринговой компанией  ООО «Центр инновационного развития СТМ» машиностроительного холдинга ОАО «Синара Транспортные машины».

Проект реализуется при участии консорциума ведущих российских научно-производственных предприятий. Грант на его разработку был предоставлен некоммерческой организацией «Фонд развития центра разработки и коммерциализации новых технологий» (Фонд «Сколково»). Главным научно-техническим партнером и заказчиком нового локомотива является ОАО «Российские железные дороги».

При проектировании локомотива использована модульная структура, что отвечает современным мировым тенденциям транспортного машиностроения. На раме тепловоза размещены дизель-генераторный, кабинный, санитарно-бытовой модули, модуль подготовки сжатого воздуха, отсек чистого воздуха, а также модуль преобразователей и накопителей энергии. Все блоки управления имеют собственную систему самодиагностики, позволяющей оперативно выявлять и устранять неисправности.

Такой универсальный подход позволяет производителям железнодорожной техники внедрять инновационные разработки и снижать затраты на их производство, а потребителям – получать возможность эксплуатировать технику, значительно сокращая время на проведение всех видов технического и сервисного обслуживания.

При создании тепловоза ТЭМ9H, командой разработчиков было реализовано более 20 новейших инженерных решений. Все основные наукоемкие компоненты, в том числе асинхронный тяговый привод, микропроцессорная система управления собственной разработки, а также алгоритмы его работы, созданы российскими учеными и конструкторами. У нового тепловоза ТЭМ9H SinaraHybrid, по сравнению с предыдущей базовой моделью локомотива ТЭМ9, на 30% будет снижен расход дизельного топлива и до 55% уменьшатся показатели выбросов отработанных газов в окружающую среду, что соответствует современным зарубежным стандартам по экологии и энергоэффективности.

Учитывая тот факт, что маневровая железнодорожная техника используется, как правило, в условиях городской инфраструктуры: на предприятиях, железнодорожных станциях, – то вопросы экологии и энергоэффективности приобретают особую актуальность. Локомотив сможет развивать скорость до 100 км/ч. Энергия рекуперации будет накапливаться в литий-ионных аккумуляторах и суперконденсаторах. Алгоритм работы гибридного тепловоза ТЭМ9H позволяет обеспечить работу собственных нужд при выключенном дизеле за счет накопителя энергии. Управление локомотивом осуществляется при помощи интеллектуальной микропроцессорной системы. На тепловозе предусмотрена установка дополнительного оборудования: он может быть оснащен радарами для определения расстояния до препятствия, системами видеонаблюдения зон недостаточной обзорности.

            В течение всего 2012 года локомотив будет проходить комплексные электротехнические и сертификационные испытания.

Изготовление установочной серии маневровых тепловозов ТЭМ9H SinaraHybrid планируется начать в 2013 году.

 

Основные технические характеристики локомотива:

Осевая формула 

2о-2о

Мощность тепловоза, кВт (л.с.)           

882 (1200)

Мощность тепловоза по дизель-генератору, кВт (л. с.)

630 (857)

Мощность тепловоза по электрическому накопителю энергии, кВт (л.с.)

252 (343)

Сила тяги при трогании с места (при ϕсц=0,33), не менее кН (тс)

291 (29,7)

Сила тяги длительного режима при совместной работе от ДГУ и накопителей, не менее кН (тс)

253 (25,82)

Сила тяги при конструкционной скорости при совместной работе от ДГУ и накопителей, не менее кН (тс)

25,0 (2,55)

Ширина колеи, мм          

1520

Конструкционная скорость, км/ч

100

Скорость длительного режима при совместной работе от ДГУ и накопителей, м/с (км/ч)

2,81 (10,1)

Масса служебная тепловоза с 2/3 запаса песка и топлива

90±3 %

Нагрузка от колесной пары на рельсы, кН (тс)

221(22,5)

Габарит по ГОСТ 9238

02 – ВМ

Минимальный радиус проходимых кривых, м

50

Габаритные размеры, мм:         

– длина по осям автосцепок

– ширина по кронштейнам поручней

– высота максимальная, не более

– высота автосцепного устройства от головки рельсов

 

17 100

3 080

4 6001 060±20

 

Компоновка машинной части тепловоза

 

Оборудование размещено на главной раме тепловоза, которая, в свою очередь, устанавливается на две бесчелюстных тележки. Использовано двухступенчатое рессорное подвешивание и опорно-осевая подвеска тяговых двигателей на подшипниках качения. Со стороны рамы тележки тяговый двигатель крепится через маятниковую опору, которая имеет уникальную конструкцию, с точки, зрения компенсации поперечных перемещений двигателя при прохождении кривых участков пути. Передача силы тяги с оси колесной пары на раму тележки осуществляется поводками, а с рамы тележки на раму тепловоза – при помощи шкворневого узла.

Использованная в тепловозе тележка снабжена гидравлическими гасителями вертикальных колебаний и фрикционными – поперечных колебаний. Примененная конструкция позволяет обеспечить локомотиву плавность хода и возможность реализации тяги с высоким коэффициентом использования сцепного веса. За счет примененных решений, к минимуму сводится техническое обслуживание и ремонт ходовой части.

В конструкции тягового редуктора применено зубчатое колесо с упругим венцом, что улучшает условия работы зубчатой передачи, а также повышает надежность и долговечность элементов тягового редуктора.

Кузов данного локомотива – капотного типа. Для улучшения обзора высота капота ограничена на уровне 1.8 метра за счет размещения дизель-генератора на раме тепловоза без дополнительной рамы. Дизель-генератор установлен на упругих опорах, имеющих улучшенные вибропоглощающие свойства.

Кузов состоит из следующих основных частей:

  •  капот дизель-генератора и холодильной установки;
  •  капот компрессора;
  •  модульный капот преобразователей;
  •  капот чистого воздуха.

Рассмотрим подробнее данные составные части.

В дизельном отсеке размещен дизельный двигатель 6ДМ21Л (производство Уральского дизель-моторного завода), приводящий в движение тяговый генератор ГС523 с измененной конструкцией статорных обмоток (производство ГП «Электротяжмаш», Харьков (рис. 1). Выхлопная система дизеля оборудована искрогасителем. Тяговый генератор тепловоза присоединен к двигателю посредством упругой муфты VOITH, предотвращающей возникновение крутильных колебаний. На тепловозе использовано флянцевое крепление генератора к корпусу двигателя.

 

Рис. 1. Дизель-генератор

 

Тепловоз оборудован системой предпусковых подогревателей Webasto, что позволяет производить пуск дизеля при -50°С.

Локомотив оснащен двухконтурной системой охлаждения дизеля. Охлаждение теплоносителей происходит в радиаторе, обдуваемом высокопроизводительным осевым вентилятором, который приводится в действие асинхронным двигателем (рис. 2). Система охлаждения теплоносителей автоматически поддерживает оптимальную для работы дизеля температуру.

 

Рис. 2. Мотор-вентилятор холодильника

 

Под компрессорным капотом находится винтовой компрессор АКВ-6/1 Л У2 с асинхронным приводным двигателем, произведенным на Челябинском компрессорном заводе (рис. 3).

 

Рис. 3. Компрессор

 

В отсеке чистого воздуха расположен мотор-вентилятор охлаждения тяговых двигателей, а также блоки тормозного оборудования УКТОЛ. Процесс открытия и закрытия жалюзи контролирует микропроцессорная система управления.

 

Компоновка кабины

Кабина тепловоза имеет модульную конструкцию и устанавливается на раму тепловоза на виброопорах. Для обеспечения максимального комфорта работы локомотивной бригады, кабина оборудована лобовым остеклением, а размещение органов управления на пульте выполнено с учетом особенностей маневровой работы. Кабина спроектирована так, что для управления тепловозом достаточно одного машиниста.

В кабине установлены два пульта: основной и вспомогательный (рис. 4, 5).

 

Рис. 4. Модель кабины тепловоза

 

Рис. 5. Модель пульта машиниста

 

Для создания комфортных условий труда локомотивной бригады, в конструкции кабины применена уникальная система микроклимата, включающая в себя кондиционер с улучшенными энергопотреблением и хладо-теплопроизводительностью. Применены современные материалы для внутренней отделки.

Новый пульт управления отвечает самым современным тенденциям в локомотивостроении. Кресло машиниста обладает улучшенными эргономическими показателями.

 

На тепловозе применена тяговая передача переменно переменного тока (рис. 6).

Рис. 6. Принципиальная схема тепловоза ТЭМ9Н

 

Напряжения двух систем трехфазных обмоток синхронного тягового генератора (ТГ), сдвинутых в пространстве на 30 электрических градусов, выпрямляются двумя тяговыми выпрямителями ТВ1 и ТВ2, соединенными последовательно. В зависимости от скорости вращения коленвала дизельного двигателя, величина выпрямленного напряжения может изменяться пропорционально изменению скорости вращения. Это выпрямленное напряжение питает пленочные конденсаторы промежуточного контура тяговых преобразователей (ТПР1, ТПР2), преобразователей системы 380 В (ПСН1, ПСН2, ПСН3) и двух вспомогательных преобразователей (ВПР1 и ВПР2). Преобразователи системы 380 В питают асинхронные электродвигатели вспомогательных систем: ПСН1 – мотор-компрессор;

ПСН2 – моторвентиляторы охлаждения тормозного резистора, моторвентиляторы охлаждения тяговых преобразователей и система микроклимата кабины;

ПСН3 – моторвентиляторы охлаждения тяговых двигателей и холодильника.

Вспомогательный преобразователь ВПР1 обеспечивает работу маслонасоса и системы конденсаторного запуска дизельного двигателя. Вспомогательный преобразователь ВПР2 служит для снабжения цепей управления локомотива напряжением 110 В.

Батарея суперконденсаторов (СКНЭ) располагается непосредственно в промежуточном контуре. Основное ее назначение – компенсация кратковременных и относительно небольших колебаний потока энергии из промежуточного контура к тяговым преобразователям.

Также к звену постоянного напряжения, посредством двунаправленного преобразователя (ПЗР), подключен накопитель энергии (АНЭ), собранный из литий-железофосфатных аккумуляторных модулей.

Основные функции накопителя:

  •  обеспечение возможности рекуперации кинетической энергии локомотива, высвобождающейся при электрическом торможении;
  •  накопление энергии при заряде от деповской сети 380 В;
  •  поставка энергии в тяговый тракт в режимах недостаточной мощности дизель-генератора.

Также энергия аккумуляторного накопителя используется для уменьшения глубины и длительности переходных процессов дизельного двигателя.

По соображениям топливной эффективности, в режимах реализации неполной тяговой мощности, необходимой для работы асинхронных тяговых двигателей, уровень напряжения в промежуточном контуре достигается на пониженных оборотах генератора за счет работы преобразователя повышения напряжения (ППН).

Алгоритмы управления тяговыми двигателями предполагают регулирование электромагнитного момента на валах двигателей при минимизации частоты переключений полупроводниковых приборов инвертора и достижение максимальной (физически доступной) скорости изменения электромагнитного момента машин, что необходимо для возможности использования реального коэффициента сцепления.

При работе тяговых двигателей в генераторном режиме энергия запасается в батарее литий-ионных аккумуляторов и обеспечивает работу вспомогательных приводов локомотива. Эта энергия используется для компенсации недостатка мощности дизельного двигателя при трогании и ускорении локомотива, при движении по предельной тяговой характеристике со скоростями выше номинальной, а также при работе в цехе и на стояке с выключенным дизельным двигателем.

Для достижения минимального расхода топлива, управление потоками энергии в силовой цепи локомотива происходит под контролем программы энергетического менеджмента системы управления локомотивом. В основу работы этого программного модуля положен точный учет количества и стоимости запасенной в накопителе энергии. Решения о ее использовании принимаются в результате анализа текущей энергетической ситуации и предыстории работы локомотива. Примененные принципы оптимизации энергетических потоков позволят удерживать скорость вращения и момент дизельного двигателя вблизи траектории минимального удельного расхода топлива.

В конструкции тепловоза применены самые современные электронные системы:

  •  радиостанция РВС-1;
  • система контроля бодрствования машиниста ТСКБМ;
  • система безопасности БЛОК (специальная модификация для маневровых локомотивов);
  • система управления тормозным оборудованием УКТОЛ;
  • система обнаружения пожара УПС-ТПС.

 

Микропроцессорная система управления и диагностики

 

Для управления тягой, торможением, преобразователями, вспомогательными машинами и другими аппаратами тепловоза, используется микропроцессорная система управления и диагностики (МПСУиД) собственной разработки.

МПСУиД имеет блочную открытую архитектуру, которая позволяет подключать дополнительные устройства без изменения аппаратных средств. Блоки системы распределены по тепловозу таким образом, чтобы оптимизировать количество электрического монтажа. Связь между блоками системы осуществляется с помощью последовательного (дублированного) интерфейса RS-485.

При работе по системе многих единиц, электрическое соединение тепловозов производится одним низковольтным кабелем. Связь осуществляется с помощью последовательного (дублированного) интерфейса аналогичного RS-485 с повышенным до 12 В уровнем сигнала.

МПСУиД, на основании информации от пульта управления, аппаратов и датчиков, вырабатывает управляющие воздействия на силовые преобразователи, дизель-генератор и аппараты тепловоза, обеспечивающие:

  • безопасные режимы работы оборудования;
  • взаимодействие секций тепловоза при работе по системе многих единиц;
  • взаимодействие с системами безопасности и цифровой технологической радиосвязи;
  • непрерывную диагностику узлов, аппаратов и электрических машин, а также самодиагностику системы.

 

МПСУиД обеспечивает работу тепловоза в трех основных режимах управления:

  • «Стандарт». В этом режиме накопитель энергии используется для компенсации мощности на вспомогательные нагрузки (при включении вентиляторов охлаждения теплоносителей дизеля, компрессора и при изменении остальных нагрузок) и рекуперации энергии торможения;
  • «Экологичный». В этом режиме накопитель энергии используется для питания всех нагрузок тепловоза (тяга, вспомогательные нагрузки) и рекуперации энергии торможения. Дизель в этом режиме не используется;
  • «Экономичный». В этом режиме все расчеты производит блок интеллектуального предсказания профиля (БИПП).

 

МПСУиД обеспечивает:

  • разгон с заданным тяговым усилием и возможность последующего автоматического поддержания скорости в диапазонах, определяемых тяговыми характеристиками тепловоза;
  • электрическое торможение c заданным тормозным усилием и возможность последующего автоматического поддержания скорости в диапазонах, определяемых тормозными характеристиками тепловоза;
  • поддержание давления сжатого воздуха питательной магистрали;
  • регулирование частоты вращения вентиляторов охлаждения дизеля, тяговых двигателей и тормозных резисторов;
  • защиту от буксования и юза.

 

В состав МПСУиД входят следующие блоки:

  • блок управления контакторами (БУК) предназначен для включения и выключения восьми контакторов или реле с номинальным напряжением 50-110В и током 1,2А в соответствии с получаемыми командами;
  • блок входных сигналов (БВС) предназначен для ввода в систему 16-ти дискретных сигналов от цепей управления локомотивом с номинальным напряжением 50 или 110В;
  • блок центрального вычислителя (БЦВ) на основании информации, полученной от блока связи с пультом (БСП), блок входных сигналов (БВС), система измерения (СИ), блок защиты от скольжения (БЗС) вырабатывает команды управления для БУК и регуляторов, кроме того, обеспечивает связь отдельных секций многосекционных локомотивов;
  • блок связи с пультом (БСП) предназначен для ввода в систему 40 дискретных сигналов (напряжением 5В) от органов управления локомотивом, установленных на пульте управления;
  • блок связи с датчиками давления (БС-ДД) предназначен для преобразования напряжений с датчиков давления в последовательный код и передачи его в систему по двум парам линии связи RS-485, а также для измерения сопротивления изоляции цепей управления относительно корпуса тепловоза;
  • блок связи с датчиками угла поворота (БС-ДПС-БЗС) предназначен для преобразования сигнала с датчика пути и скорости (ДПС), а также передачи полученных данных по интерфейсу RS485;
  • блок монитор МБ получает данные от блока БЦВ и визуально отображает текущие параметры тепловоза на основном пульте кабины машиниста (рис. 7.

Рис. 7. Дисплей основного пульта машиниста

Также МБ осуществляет диагностирование аппаратов тепловоза. Кроме того, МБ осуществляет запись в энергонезависимую память всех основных параметров работы локомотива с возможностью просмотра сохраненных данных на экране МБ в графическом виде (рис. 8, 9).

 

Рис. 8. Представление данных на дисплее основного пульта машиниста

 

  

Рис. 9. Представление данных на дисплее основного пульта машиниста

 

Связь с блоком БЦВ осуществляется по интерфейсу RS485. Вся информация выводится в графическом и текстовом виде на жидкокристаллическую панель диагонали 10 дюймов разрешением 640х480 точек.

Тепловоз оборудован пультом речевой информации САУТ (ПРИС), который воспроизводит особо важные речевые сообщения от МПСУиД, получаемые через интерфейс RS485.

Источники электропитания локомотивной электронной аппаратуры (ИП-ЛЭ) преобразуют нестабилизированное постоянное входное напряжение в постоянное стабилизированное напряжение.

Блок индикации тепловоза (БИТ) предназначен для индикации режимов работы силовой схемы тепловоза и аварийных сигналов при работе в составе МПСУ и Д.

Блок связи с датчиками давления и температуры (БС-ДД-Т) предназначен для преобразования тока с датчиков давления и температуры в последовательный код и передачи его в систему по двум парам линии связи RS-485.

Блок связи – токовая петля (БС-ТП) – предназначен для обеспечения двустороннего обмена данными между МПСУиД и блоком управления дизелем.

Для определения наиболее энергетически выгодных режимов работы, на локомотиве установлен приемник ГЛОНАСС/GPS.

Информацию о текущих координатах принимает блок интеллектуального предсказания профиля (БИПП). В процессе движения тепловоза происходит создание массива трасс, содержащего большой объем информации:

  • координаты начала и конца блок-участков;
  • длины кривых;
  • значения уклонов;
  • места остановок;
  • средние, максимальные и минимальные мощности, реализуемые на участках.

В дальнейшем, с помощью статистической обработки вышеуказанных данных, БИПП выдает сигналы на управление оборотами дизеля, зарядкой-разрядкой накопителя.

Необходимость создания локомотивов нового поколения продиктована Стратегией инновационного развития ОАО «РЖД», утвержденной Президентом ОАО «РЖД» В.И. Якуниным. Одним из основных пунктов Стратегии является «необходимость повышения энергоэффективности и внедрения ресурсосберегающих технологий», в том числе путем внедрения асинхронного тягового привода и применения накопителей энергии.

Разработанный конструкторами ООО «Центр инновационного развития СТМ» маневровый тепловоз с гибридной силовой установкой ТЭМ9Н должен стать серьезным шагом к переходу техники, эксплуатируемой на железных дорогах Российской Федерации, на качественно новый уровень по экологичности и энергоэффективности. Стоит также отметить, что российские производители в области железнодорожного машиностроения приступили к разработке и производству «гибридов», не отставая, а в некоторых аспектах даже опережая европейских производителей железнодорожной техники.

Увидеть новый маневровый тепловоз ТЭМ9Н SINARAHYBRID в работе можно будет уже в 2013 году.


Please, sign up or sign in to leave a comment.