Skip to main content

Грузовой электровоз серии 23Е для ЮАР

В 2014 г. компания Bombardier получила заказ на поставку в ЮАР 240 электровозов повышенной мощности для вождения грузовых поездов с углем и рудой. Их предполагалось эффективно использовать на линиях с шириной колеи 1067 мм и уменьшенным габаритом приближения строений, в том числе и на участках с затяжными уклонами. При проектировании электровоза 60% конструкторских разработок должны были выполнить местные специалисты, так что в Европе изготавливалось ограниченное число компонентов.

Государственные железные дороги ЮАР последний раз заказывали электровозы в начале 1980-х годов. В дальнейшем до середины следующего десятилетия электровозный парк обновлялся только мелкими сериями либо за счет модернизации существующих локомотивов.

В целом в локомотивном парке железных дорог ЮАР преобладали электровозы постоянного тока, часть из которых переоборудована на базе тиристорных регуляторов. Электровозы были односистемными и предназначались для эксплуатации под контактной сетью постоянного тока напряжением 3 кВ или однофазного переменного напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц.

Отдельную группу представляют односистемные электровозы переменного тока, работающие под контактной сетью напряжением 50 кВ, 50 Гц на линии Салданья — Сайшен.

Первые двухсистемные электровозы серии 14Е появились только в начале 1990-х годов. Они были оборудованы преобразователями с промежуточным звеном постоянного тока. Всего на основе этой технологии были построены только три электровоза серии 14Е и десять электровозов серии 14Е1, поскольку технология с промежуточным звеном постоянного тока применима только в случае синхронных тяговых двигателей. В 1990-е годы уже получила широкое распространение система с асинхронными тяговыми двигателями, получающими питание от тяговых преобразователей с промежуточным звеном постоянного напряжения.

После модернизации устаревших электровозов серии 6Е1 до уровня серий 16Е. 17Е и 18Е южноафриканская грузовая компания TFR перешла на современную систему трехфазного тягового привода. В 2009 г. были заказаны 110 электровозов серии 19Е. Эти четырехосные двухсистемные электровозы явились первыми локомотивами массового выпуска, оснащенными современными тяговыми преобразователями.

Процесс модернизации и смены поколений локомотивов на железных дорогах ЮАР продолжался, и в марте 2014 г. компании Bombardier были заказаны 240 шести-осных двухсистемных электровозов TRAXX Africa серии 23Е по классификации компании TFR (рис. 1). Всего же, помимо большого числа тепловозов, компания TFR, эксплуатирующая линии колеи 1067 мм. схема которых показана на рис. 2, заказала 699 четырех- и шестиосных двухсистемных локомотивов (3кВ постоянного тока и 25 кВ, 50Гц).

Во избежание рисков, связанных с возможностью срыва поставок, TFR приняла решение покрыть имеющийся значительный дефицит тягового подвижного состава, используя разработки разных компаний. Так. электровозы серии 19Е изготавливались по японской технологии, локомотивы серий 20Е и 21Е с повышенной осевой нагрузкой. а также 22Е оснащены системами китайского производства, а реализация электровоза 23Е базируется на европейских технологиях.

Дизайн-проект электровоза TRAXX Africa

Рис. 1. Дизайн-проект электровоза TRAXX Africa (источник: Bombardier)

Схема линий колеи 1067 компании TFR

Рис. 2. Схема линий колеи 1067 компании TFR

Экономические особенности

Размещая заказ на подвижной состав, правительство ЮАР рассчитывает не только на обновление локомотивного парка, но и на развитие промышленности страны. Поэтому ставится задача не просто приобретать современную готовую продукцию, но и организовывать локальное производство компонентов. При оценке проектов в первую очередь учитывается целесообразность создания таких производств, а также образованность и профессиональные навыки привлекаемых трудовых ресурсов.

Правительство предъявляет требование, чтобы доля локализации составляла не менее 60% всего объема производства. Компания Bombardier, получившая заказ на поставку электровозов серии 23Е. в полной мере соответствует этим условиям, поскольку производит на месте тяговые преобразователи. компоненты тяговой передачи, приборные шкафы, тележки и кузова. а также выполняет полную сборку всех 240 электровозов.

Заказчик определил местом окончательной сборки электровозов портовый город Дурбан, являющийся третьим по величине после Йоханнесбурга и Кейптауна в ЮАР.

Общее описание

Концепция

Электровоз серии 23Е представляет собой специальную разработку. соответствующую требованиям заказчика, в которой отражены особые требования железных дорог ЮАР. в том числе:

  • уменьшенный наружный габарит. соответствующий южноафриканскому габарит подвижного состава;
  • ширина колеи 1067 мм;
  • дополнительные двери в торце;
  • возможность эксплуатации под контактными сетями постоянного тока напряжением от 1,8 до 4.1 кВ и переменного частотой 50 Гц. напряжением от 16 до 31 кВ;
  • возможность эксплуатации в режиме многократной тяги при наличии в составе поезда до восьми локомотивов;
  • электрическая тормозная мощность 3.4 МВт при использовании тормозных резисторов;
  • возможность эксплуатации при температуре наружного воздуха до +40 °С. а в тоннелях — местами до +200 СС.

Прочие характеристики электровоза в принципе традиционные:

  • кабина машиниста — в одном из торцов;
  • индивидуальный привод осей;
  • ходовая часть — две трехосные тележки.

Остальные технические данные приведены в табл. 1.

Конструктивная схема с центральным проходом, моторные тележки типа FLEXX-Power, высоковольтное оборудование и возможности дальнейшего совершенствования тягового привода с функцией last mile станут этапами дальнейшего развития семейства TRAXX.

Таблица 1

Технические данные электровоза серин 23Е

Параметр

Значение параметра

Общая масса, т

132

Статическая осевая нагрузка, т

22

Диаметр колес новых/изношенных. мм

1220/1136

Сила тяги при трогании. кН

480

Номинальная тяговая и тормозная мощность. МВт

3.8

Максимальная скорость, км/ч

100

Длина но сценкам, мм

22 900

Ширина кузова, мм

2900

Высота с опущенным токоприемником, мм

4140

Расстояние между центрами тележек, мм

13 400

Расстояние между крайними осями в тележке, мм

3700

Механическая часть

Размещение компонентов на электровозе показано на рис. 3.

Размещение компонентов оборудования на электровозе 23E

Рис. 3. Размещение компонентов оборудования на электровозе 23E:
1 - задняя стенка кабины; 2,3,5.12,14.16- вентиляторы охлаждения тяговых двигателей: 4.22 - стойки систем управления и связи; 6. 19 охладитель; 7 преобразователи тяговые и собственных нужд; S. 9 охладители тормозных резисторов; 10 туалет. 11 компрессор и осушитель воздуха; 13 управление системой торможения; 15 вентилятор машинного отделения; 17 аккумуляторная батарея и зарядный агрегат: IS-высоковольтная ячейка, компрессор: 20-панель собственных нужд напряжением 400 В переменного тока:
21 — панель собственных нужд напряжением 110В постоянного тока: 23 — установка кондиционирования воздуха; 24 — кабина машиниста; 25— пульт управления

Кабина машиниста. Современное рабочее место машиниста (рис. 4) в принципе не отличается от того, которое сегодня существует в современных локомотивах Европы. Есть, однако, и отличия — например, расположенный справа рычаг тормозного контроллера и правое расположение всего пульта управления ввиду того, что слева находится торцовая входная дверь.

Макет пульта управления

Рис. 4. Макет пульта управления

Сбоку и на задней стенке кабины размещаются другие элементы управления, например для выбора системы тока или включения освещения. Здесь же находится варочная плита, холодильник и шкаф для одежды.

Кроме видеокамер контроля токоприемников и контактной сети. на электровозе предусмотрены и другие телевизионные системы, размешенные на фронтальной части кабины.

Тележки и тяговая передача. Обе трехосные тележки (рис. 5) выполнены в соответствии с принципом Flexfloat — без шкворней, с надежной и простой по конструкции рамой, способной воспринять все возникающие нагрузки. Усилие от тележки на кузов электровоза передается с помощью низко расположенной штанги.

Тележка электровоза

Рис. 5. Тележка электровоза

Система сжатого воздуха и тормоза. На современном тяговом подвижном составе используется высокоэффективный пневматический тормоз.

Ввиду относительно небольшой скорости движения и ограниченного строительного пространства на локомотиве пришлось отказаться от установки дисковых тормозов и остановиться на традиционных колодочных с современными тормозными накладками. Колодочный тормоз выполняет функции качественной очистки поверхностей катания колес, благодаря чему поддерживается и без того эффективный и одновременно оптимизированный по износу контроль силы тяги.

Пневмосистема локомотива получает питание от винтового компрессора производительностью 2750 л/мин. Двухкамерный осушитель обеспечивает минимальную влажность сжатого воздуха.

Для управления тормозами используется система Knorr Bremse/NYAB. ССВ-2. распространенная на сетях Ассоциации американских железных дорог (AAR).

Локомотив 23Е имеет три сквозные воздушные магистрали:

  • линия главного воздушного резервуара. получающая питание от поездной пневмосистемы;
  • тормозная магистраль, управляющая тормозами всего поезда;
  • линия подачи сжатого воздуха к тормозным цилиндрам, непосредственно управляющая тормозными системами всех локомотивов, входящих в состав поезда.

Тормозной компьютер имеет собственный дисплей для ввода параметров тормозного режима и отображения данных тормозной системы: давления, скорости воздушного потока, информации о фактическом состоянии и возникающих отклонениях. Этот дисплей может также использоваться для самодиагностики, вывода данных и отображения рабочих характеристик.

Для служебного торможения применяется комбинированный электрический тормоз, т. е. реостатный и рекуперативный. В случае экстренного торможения на локомотиве срабатывает только пневматический тормоз.

Тяговое электроснабжение и привод

Система тягового привода построена на основе успешной и хорошо зарекомендовавшей себя концепции приводов семейства электровозов TRAXX и не содержит принципиально новых технических решений.

Основными компонентами тягового привода являются:

  • высоковольтное оборудование;
  • главный трансформатор, дроссели и фильтры;
  • преобразователи: тяговый и собственных нужд;
  • тяговые двигатели и редукторы.

Высоковольтное оборудование частично расположено на крыше электровоза, остальное —в высоковольтной ячейке машинного отделения. На крыше установлены два токоприемника. Один из них предназначен для эксплуатации под контактной сетью постоянного тока, другой — переменного. По шинам, смонтированным на опорных изоляторах, ток подводится к средней части крыши, где установлены разрядники и устройство переключения систем тягового тока. Отсюда через высоковольтный ввод ток поступает в высоковольтную ячейку машинного отделения.

Здесь расположены два главных выключателя для обеих систем тока с соответствующими датчиками, разрядниками и заземляющими устройствами. На некоторых электровозах на крыше установлены также телекамеры для наблюдения за токоприемниками и контактной подвеской.

Блок трансформаторов и дросселей установлен под средней частью кузова. Он. как и многие другие эффективные системы, предложенные компанией Bombardier, рассчитан на использование с обеими системами тока и изготовлен компанией ABB Transformatoren. В качестве хладагента используется хорошо зарекомендовавшее себя в эксплуатации минеральное трансформаторное масло.

Главный трансформатор с шестью тяговыми обмотками обладает характеристиками, обеспечивающими минимальное воздействие тягового тока на питающую сеть. В соединении с сетевым фильтром он позволяет выдерживать требования по уровню передаваемых в сеть мешающих напряжений даже при многократной тяге с использованием до шести электровозов в поезде. При этом учитываются также и режимы с отдельными выключенными тяговыми агрегатами.

В случае движения под контактной сетью постоянного тока независимые мощные дроссели включаются в схему сетевых фильтров. При этом обеспечивается допустимый уровень воздействия тяговой цепи на питающую сеть, а также степень обратного воздействия сети на тяговые цепи.

Для отвода тепловых потерь трансформаторно-дроссельного блока и токовых цепей преобразователей электровозы снабжены двумя усиленными комбинированными системами охлаждения. В отличие от большинства европейских локомотивов в данном случае была выбрана схема бокового забора воздуха, что связано с необычными габаритами локомотива и повышенной температурой наружного воздуха.

Через решетку в боковой стенке и систему фильтров воздух проходит через водно-воздушный охладитель преобразователя тока. а также через масляно-воздушный охладитель трансформаторнодроссельного блока, после чего выбрасывается вниз и уходит в атмосферу.

Тяговые преобразователи, а также преобразователь питания вспомогательных устройств (собственных нужд) выполнены на основе хорошо зарекомендовавшего себя и усовершенствованного преобразователя семейства MITRAC ТС3300. Как надежные и эффективные агрегаты, они в больших количествах используются в Европе. Азии и Северной Америке. Проверенные в эксплуатации компоненты преобразователя и прогрессивная концепция, допускающая вариативность параметров. явились базой для создания локомотива повышенной мощности (табл. 2).

Таблица 2

Технические данные преобразователя MITRAC DR 3900N

Параметр

Значение

Масса, кг

4000

Тип тягового двигателя

6FRA8240

Класс изоляции

200

Крутящий момент на валу двигателя, кН-м

<10

Передаточное число одноступенчатого редуктора

5.8:1

Регулирование тягового привода осуществляется блоком MITRAC DCU2, который успешно применяется во всех тяговых системах компании Bombardier со времени его первого внедрения на двухсистемном поезде серии S130 с изменяемой колеей Государственных железных дорог Испании (RENFE). На рис. 6 показана схема тяговых цепей локомотива.

Принципиальная схема тяговых цепей локомотива TRAXX Africa

Рис. 6. Принципиальная схема тяговых цепей локомотива TRAXX Africa

Система охлаждения тягового блока, и в первую очередь преобразователя. а также система кондиционирования кабины машиниста выполнены достаточно эффективными. В этом плане особо тяжелым режимом является прохождение длинных тоннелей с высокой температурой воздуха длинносоставными поездами многократной тяги (до шести электровозов). Поскольку электровозы оснащены электрическим реостатным тормозом, то при его срабатывании в тоннеле дополнительно выделяется большое количество тепла.

Следует иметь в виду, что эти тяговые агрегаты при движении поезда под уклон, в том числе в тоннелях большой длины, должны были выполнять и генераторное торможение, нередко при температуре «охлаждающего» воздуха в тоннеле далеко за + 100°С. В связи с этим для каждого тягового двигателя требовалась установка отдельного вентилятора.

Тяговые двигатели. В уменьшенном конструктивном пространстве нужно было реализовать мощный тяговый привод (рис. 7). Упомянутые ранее особые требования заказчика и условия эксплуатации определяли необходимость применения мощного и простого по конструкции тягового двигателя с опорно-осевой подвеской.

Моторно-релукторный блок MITRAC DR3900N

Рис. 7. Моторно-релукторный блок MITRAC DR3900N

Вспомогательные приводы. Система питания вспомогательных приводов от преобразователя собственных нужд применяется на всех электровозах семейства TRAXX типов АС1 — АСЗ. Она является эффективным источником электроснабжения, обеспечивает питание вспомогательных приводов локомотива по двум трехфазным каналам. Один из них с линейным напряжением 400 В работает при фиксированной частоте 50 Гц.

Б то время как второй имеет на выходе регулируемые частоту и напряжение, соответственно 20-50Гц и 166-400 В (рис. 8).

Схема питания вспомогательных приводов и устройств

Рис. 8. Схема питания вспомогательных приводов и устройств

Зарядное устройство аккумуляторной батареи, насосы, компрессор, вентиляторы малой мощности подключены к каналу с фиксированной частотой, вентиляторы тяговых двигателей, а также башенные охладители тяговых двигателей и тормозного резистора — к каналу переменной частоты. В случае возникновения неисправностей на любом из каналов питание всех вспомогательных приводов переводится на питание от исправного канала.

Схема управления. Основой комплексной схемы управления является базисная система MITRAC TCMS. Эта система и ее компоненты. успешно используемые в мире более 6 лет, дополнили схему регулирования MITRAC DCU2 тягового преобразователя. MITRAC TCMS не только выполняет функции широко применяемой в Европе системы обработки данных MyBTfleet, используемой для оптимальном организации технического обслуживания парка подвижного состава, но также позволяет измерять расход энергии и отображать результаты измерений. Топология системы управления показана на рис. 9.

Система управления электровоза 23E

Рис. 9. Система управления электровоза 23E

Основные положения и накопленный опыт

Реализованные на электровозе системы не только соответствуют предъявляемым в данной стране общим требованиям, но также обладают высокой степенью надежности и имеют современные параметры.

Для Bombardier как поставщика электровозов было обязательным соблюдение всех стандартов надежности для электровозов серии 23Е, таких же как и для известных в Европе электровозов семейства TRAXX: локомотивов IORE. работающих на рудовозных линиях в Швеции, электровозов серии HXD3B. используемых в Китае для вождения тяжеловесных поездов, или локомотивов ALP в Северной Америке.

Разработки выполнялись в хорошо зарекомендовавших себя конструкторских бюро в Касселе. Цюрихе. Вене и Хеннигсдорфс. В работах принимали участие проверенные поставщики комплектующих изделий, здесь используется опыт проектировщиков всего мира, а также собственные возможности компании Bombardier для изготовления экспериментальных конструкций и проведения испытаний.

Окружающая среда, условия технического обслуживания и содержания требуют специальных решений для создания условий по техническому обслуживанию, в чем всегда могут оказать содействие обладающие накопленным за десятилетия работы опытом специалисты компании Bombardier.

Железные дороги мира - 2016, №6