Bez tytułu-7 - tts.infotransport.pl

oferty
22
Jaroslav Müller*
Modernizacja
spalinowych
lokomotyw
przemys³owych
i manewrowych
We wrzeœniu 1998 r. na Targach w Brnie wystawiono 8 lokomotyw spalinowych, tylko jedna by³a nowym
produktem, natomiast pozosta³e siedem to lokomotywy zmodernizowane. Przyczyn¹ tego stanu rzeczy jest
taki a nie inny rozwój trakcji spalinowej na potrzeby
przemys³u.
Pod koniec lat 70. trakcja na potrzeby przemys³u by³a
w 100% spalinowa. Jednak konstrukcje eksploatowanych lokomotyw nie spe³nia³y specjalistycznych wymagañ jakie stawia transport w warunkach przemys³owych. Eksploatowane
by³y lokomotywy sieciowe, np. T669 (do Polski jako S200
dostarczono ich 143 sztuki) i inne, ró¿ni¹ce siê miêdzy sob¹
serie. Np. Nowa Huta w Ostrawie w tym okresie mia³a 65
lokomotyw oœmiu ró¿nych serii. Ta ró¿norodnoœæ by³a wielkim utrudnieniem, g³ównie z punktu widzenia utrzymania
z uwagi na rozwi¹zania konstrukcyjne, jak i zastosowane silniki spalinowe, które przyczynia³y siê do nadmiernego zu¿ycia materia³ów eksploatacyjnych.
Od roku 1973 w du¿ej iloœci dostarczono do zak³adów
przemys³owych lokomotywy serii T448 (420 sztuk dla czeskiego i s³owackiego przemys³u, 170 sztuk do Polski), jednak i ta lokomotywa nie ma specyficznych w³asnoœci lokomotywy przemys³owej. Jest to lokomotywa sieciowa serii
742 eksploatowana przez ÈD, której masa zosta³a zwiêkszona o 8 ton, a prze³o¿enie przek³adni osiowej zmieniono na
wartoϾ 5,2.
Dopiero na pocz¹tku lat 80., we wspó³pracy autora artyku³u z Now¹ Hut¹ w Ostrawie i ÈKD Praha rozpocz¹³ siê
rozwój nowego typu lokomotyw przemys³owych, których
parametry by³y ,,szyte na miarê ‘’ potrzeb transportu przemys³owego:
T419 o mocy 600 kW, masie 84 ton, z przek³adni¹ AC/DC
i hamulcem elektrodynamicznym,
T239 o mocy 327 kW, masie 44 ton, z przek³adni¹ AC/DC
i hamulcem elektrodynamicznym.
Stan obecny
Pod koniec lat 80. wiêkszoœæ spalinowych lokomotyw przemys³owych by³a na granicy amortyzacji. Zu¿ycie moralne
i techniczne wskazywa³o na koniecznoœæ wymiany parku lokomotywowego. Jednak bardzo szybki spadek produkcji, powiêkszaj¹ce siê zad³u¿enie pocz¹wszy od roku 1989 wraz
z nieuzasadnionym wzrostem cen nowych lokomotyw uniemo¿liwi³y zakup nowych pojazdów. Wyprodukowano tylko 31
sztuk lokomotyw serii T419 (g³ównie do 1990 r.) i 29 sztuk
lokomotyw serii T239.
Dziêki temu, ¿e warunki eksploatacyjne lokomotyw spalinowych wymuszaj¹ bardzo wytrzyma³¹ konstrukcjê czêœci
mechanicznych – g³ównie ostoi, wózków i zespo³u napêdu
zestawów ko³owych, czêœci te s¹ stosunkowo ma³o zu¿yte,
co umo¿liwia dalsz¹ ich eksploatacjê przez kolejne 15÷25
lat. Systemy odsprê¿ynowania, hamulców, przeniesienia si³y
poci¹gowej w wiêkszoœci lokomotyw wózkowych równie¿ nie
s¹ technicznie zu¿yte, a po niewielkich modernizacjach mog¹
spe³niaæ dzisiejsze wymagania.
Pozosta³e elementy: silnik spalinowy, maszyny pomocnicze i ich napêd, kable elektryczne, wyposa¿enie stanowiska
maszynisty, systemy sterowania i regulacji znajduj¹ siê niestety na granicy ¿ywotnoœci tak fizycznej jak i technicznej.
Wszystkie podane wy¿ej przyczyny wiod¹ do postawienia jedynego, logicznego wniosku jakim jest koniecznoœæ
modernizacji lokomotyw.
Modernizacja umo¿liwia nie tylko zast¹pienie zu¿ytych
czêœci lokomotyw elementami o wy¿szym poziomie technicznym, ale umo¿liwia równie¿ dokonanie takich zmian konstrukcyjnych, które spe³ni¹ wymagania stawiane lokomotywom
przemys³owym w szerszym zakresie ani¿eli dotychczas.
Oczywiœcie, znacz¹cym faktem s¹ nak³ady modernizacyjne, których wielkoœæ zale¿y od zakresu modernizacji. Zakres
mo¿na ograniczyæ tylko do wymiany silnika spalinowego na
nowoczeœniejszy, który umo¿liwi zmniejszenie zu¿ycia materia³ów eksploatacyjnych i kosztów utrzymania. Mo¿na równie¿ wraz z silnikiem spalinowym wymieniæ generator i zastosowaæ nowoczeœniejszy system regulacyjny, co prowadzi
w konsekwencji do dalszego podniesienia sprawnoœci
i zmniejszenia zu¿ycia materia³ów eksploatacyjnych. W Czechach zosta³y przeprowadzone takie modernizacje o szerokim zakresie, np. w serii 735 (pierwotnie 714) zast¹piony
zosta³ silnik spalinowy o mocy 937 kW dwoma silnikami
spalinowymi o mniejszej mocy (2×300 kW). Umo¿liwi³o to
obni¿enie pud³a lokomotywy, polepszenie widocznoœci i zast¹pienie starej kabiny maszynisty rozwi¹zaniem nowoczeœniejszym [1].
Wybór modernizacji lokomotywy o najwiêkszym zakresie
nie spowodowa³ kosztów przekraczaj¹cych 50% ceny nowej
lokomotywy.
Wymagania konstrukcyjne lokomotyw spalinowych
silnikaa spalinowego
Moc silnik
Moc silnika spalinowego jest podstawowym parametrem
konstrukcyjnym lokomotywy. Moc na obwodzie kó³ obliczana jest wed³ug wzoru:
12 / 1998
12/98 strona 22
23
Poniewa¿ prêdkoœæ jazdy podczas manewrów jest ma³a
(20÷30 km/h) a pochylenie terenu z regu³y niedu¿e, dlatego potrzebna moc na obwodzie kó³ jest znacznie mniejsza
ni¿ w lokomotywach poci¹gowych.
Moc silnika spalinowego musi byæ oczywiœcie wiêksza,
z uwagi na koniecznoœæ zasilania urz¹dzeñ pomocniczych oraz
straty przeniesienia mocy pomiêdzy silnikiem spalinowym
a zestawem ko³owym. Nominalna moc obliczana jest wtedy
wed³ug wzoru
Pu = (1,3 ÷ 1,4) Pok
gdzie:
Pu – moc nominalna silnika spalinowego [kW].
Z podanych zale¿noœci wynika, ¿e potrzebna moc nominalna silnika spalinowego lokomotyw przemys³owych osi¹ga maksymaln¹ wartoœæ 600 kW a w wielu przypadkach
zadowalaj¹ca jest moc 300÷400 kW (tab.1), natomiast
wiêkszoœæ lokomotyw przemys³owych obecnie eksploatowanych ma moc 900÷1000 kW. Ewentualn¹ koniecznoœæ zastosowania wiêkszej si³y poci¹gowej (np. w warunkach wiêkszego pochylenia trasy) nale¿y kompensowaæ obni¿eniem
prêdkoœci jazdy na odcinku krytycznym lub (przy du¿ym
obci¹¿eniu na równym odcinku) zastosowaniem dodatkowej
lokomotywy.
Masa lok
omotywy
lokomotywy
Masa lokomotywy jest drugim wa¿nym parametrem. Wp³ywa zarówno na granicê przyczepnoœci si³y poci¹gowej, jak
i na osi¹gniêcie du¿ej si³y hamowania lokomotywy na granicy przyczepnoœci, od której zale¿y bezpieczeñstwo eksploatacji, gdy¿ podczas prac manewrowych hamulce wagonów
nie s¹ pod³¹czone. Czynnikiem limituj¹cym masê lokomotywy jest nacisk osi na szyny, którego wielkoœæ zale¿ny od
budowy podtorza i toru. Obecnie wartoœæ nacisku osi na szyny na bocznicach wynosi 200÷225 kN (w zak³adach hutniczych nawet wiêcej). Lokomotywy pracuj¹ce w przemyœle
tej wartoœci w wiêkszoœci nie osi¹gaj¹, dlatego podczas modernizacji nie pojawi³y siê problemy zwi¹zane z przekroczeniem nacisku osi na szyny. Odwrotnie, w wielu przypadkach
podczas modernizacji mo¿na by³o zwiêkszyæ masê lokomotywy za pomoc¹ balastu. Nale¿y zauwa¿yæ, ¿e zwiêkszenie
masy lokomotywy np. o 14 ton, wyraŸnie polepszaj¹ce warunki przyczepnoœci lokomotywy jest pomijalne w stosunku
do obci¹¿enia na haku rzêdu 500÷800 ton.
Na podstawie wielkoœci si³y poci¹gowej na granicy przyczepnoœci oraz dozwolonego nacisku osi na szyny mo¿na
okreœliæ niezbêdn¹ liczbê napêdowych zestawów ko³owych
lokomotywy. Najmniejsz¹ liczbê napêdowych zestawów ko³owych lokomotyw przemys³owych mo¿emy obliczyæ wed³ug
wzoru:
mmin = 14,1 · Pn · (Ao · Vkr) –1
gdzie:
mmin –
Pn –
Ao –
Vkr –
najmniejsza liczba zestawów ko³owych napêdowych,
moc nominalna silnika spalinowego [kW],
nacisk osi na szyny [kN],
prêdkoœæ krytyczna.
Lokomotywom przemys³owym o nacisku osi 200 kN
i mocy 600 kW odpowiada wtedy pojazd 4-osiowy, wózkowy, a lokomotywom mocy 300÷500 kW pojazd jednoramowy (2- lub 3-osiowy), który znacznie u³atwia konstrukcjê
mechanicznej czêœci lokomotywy.
Zu¿ycie paliwa
Zu¿ycie paliwa ulegnie zmniejszeniu, je¿eli re¿imy pracy,
w których silnik spalinowy pracuje najczêœciej, bêd¹ w obszarach najwiêkszej sprawnoœci. Mo¿na to osi¹gn¹æ poprzez
odpowiedni wybór typu silnika oraz wartoœci mocy nominalnej silnika spalinowego wraz z zastosowaniem regulacji elektronicznej. Optymaln¹ sprawnoœæ silnik spalinowy osi¹ga z regu³y w obszarze 60÷70% mocy nominalnej. Na podstawie
pomiarów, wykonanych na bocznicach w ostrawskich zak³adach przemys³owych dokonano wzglêdnego rozdzia³u mocy
silnika w zale¿noœci od czasu (tab. 1).
Z danych z tablicy 1 wynika, ¿e lokomotywy z nominaln¹ moc¹ silnika ponad 600 kW pracuj¹ wiêksz¹ czêœæ czasu eksploatacyjnego w obszarze niskiej sprawnoœci,
a w zwi¹zku z tym s¹ nieekonomicznie.
Tak du¿y czas pracy silnika przy niskich obrotach ma
znacz¹cy wp³yw na zu¿ycie paliwa.
technika
Pok = F · V / 3,6
gdzie:
Pok – moc na obwodzie kó³ [kW],
F – si³a poci¹gowa kó³ [kN],
V – prêdkoœæ [km/h].
Czêœæ mechaniczna lok
omotywy
lokomotywy
W lokomotywach przemys³owych i manewrowych nale¿y
braæ pod uwagê nastêpuj¹ce, specjalne wymagania:
widocznoœæ ze stanowiska maszynisty we wszystkich kierunkach; u³o¿enie wspó³pracuj¹cych urz¹dzeñ technologicznych w osi toru; ergonomiczna obs³uga,
widocznoœæ poprzez okna czo³owe lokomotywy bez odbiæ
tylnych okien kabiny, przedmiotów za lokomotyw¹, œwiate³ i powierzchni b³yszcz¹cych w kabinie, które powstaj¹
podczas wjazdu do ciemnych hal produkcyjnych,
Tablica 1
Podzia³ mocy silnik
omotyw przemys³owych w zale¿noœci od czasu
silnikaa lok
lokomotyw
Bieg ja³owy
Procent z ca³k
owitego czasu pracy silnik
ca³kowitego
silnikaa
58
Moc silnik
silnikaa
Procent z czasu pracy silnik
silnikaa
oprócz biegu ja³owego
do 100
35
100÷200
34
200÷300
10,5
300÷600
9
ponad 600
11,5
12 / 1998
12/98 strona 23
24
przystosowanie do wbudowania urz¹dzeñ zdalnego sterowania lokomotyw¹ za pomoc¹ radia spoza kabiny maszynisty,
wejœcie do kabiny tylko z galerii oraz wygodne i bezpieczne
wejœcie na galeriê z toru (zamiast drabinki) i odwrotnie,
umo¿liwiaj¹ce wykonywanie dalszych zadañ maszynisty
podczas sterowania lokomotyw¹ radiem (przestawianie
zwrotnic, ³¹czenie wagonów, dok³adne doje¿d¿anie do
miejsca operacji technologicznych),
odpowiednio du¿e i bezpieczne powierzchnie (zamiast niszy) we wszystkich 4 rogach ramy lokomotywy z odpowiednimi os³onami chroni¹cymi przed wiatrem ustawiacza
lub personel steruj¹cy lokomotyw¹ za pomoc¹ radia,
wydajne i ekonomiczne ogrzewanie kabiny maszynisty oraz
regulacja systemu ch³odz¹cego silnika spalinowego z mo¿liwoœci¹ d³ugotrwa³ego podgrzewania silnika spalinowego
po d³u¿szych przerwach eksploatacyjnych g³ównie w okresie zimy.
Cel modernizacji
G³ównym celem modernizacji lokomotyw przemys³owych
i manewrowych jest obni¿enie nak³adów eksploatacyjnych.
1. Oszczêdnoœæ materia³ów eksploatacyjnych
W lokomotywach spalinowych mo¿na osi¹gn¹æ poprzez zastosowanie:
• elektronicznej regulacji mocy i prêdkoœci jazdy,
• silników spalinowych o wiêkszej sprawnoœci i mniejszym
zu¿yciu oleju napêdowego,
• silników spalinowych o w³aœciwie dobranej mocy (mniejszej mocy ni¿ silnik pierwotny),
• podzia³u mocy lokomotywy na dwa silniki spalinowe
o mniejszej mocy,
• ekonomicznego systemu ogrzewania kabiny i regulacji
systemu ch³odz¹cego silnik spalinowy,
• ograniczenia czasu pracy na niskich obrotach,
• wy³¹czenia maszyn pomocniczych w okresach pracy na
biegu ja³owym,
• pomocniczego Ÿród³a energii do napêdu urz¹dzeñ peryferyjnych,
• zasilanie silników trakcyjnych z baterii akumulatorów podczas podje¿d¿ania lokomotywy luzem,
• zasilania silników trakcyjnych z sieci trakcyjnej na odcinkach, które s¹ w ni¹ wyposa¿one (przy jednoczesnym
wy³¹czeniu silnika spalinowego).
2. Oszczêdnoœci zwi¹zane z utrzymaniem lok
omotyw
lokomotyw
W lokomotywach spalinowych mo¿na osi¹gn¹æ poprzez zastosowanie:
• nowoczesnych silników spalinowych o du¿ej niezawodnoœci i mniejszej czêstotliwoœci napraw okresowych,
• elektronicznego systemu sterowania i regulacji,
• hamulca dynamicznego (elektrodynamicznego),
• systemu diagnostycznego w pojeŸdzie.
3. Oszczêdnoœci zwi¹zane z eksploatacj¹ lok
omotywy
lokomotywy
W lokomotywach spalinowych mo¿na osi¹gn¹æ oszczêdnoœci wynikaj¹ce z iloœci zatrudnionych pracowników lub po-
przez zwiêkszanie bezpieczeñstwa ich pracy poprzez zastosowanie:
• radiowego sterowania lokomotyw¹,
• pó³automatycznego sprzêgu lokomotywy,
• wejœcia do lokomotywy z galerii i wyjœcia na galeriê z toru
po schodach (nie po drabince),
• elektronicznego systemu sygnalizacji stanów awaryjnych
lokomotywy.
Korzyœci ekonomiczne wynikaj¹ce z modernizacji
Zmiany wykonane podczas modernizacji z zasady s¹ odnoszone do konkretnego pojazdu, tak¿e po zakoñczeniu jego
eksploatacji (ewentualnie ¿ywotnoœci), których nie mo¿na
dalej wykorzystywaæ (np. poprzez przeniesienie na inny pojazd). Oznacza to, ¿e je¿eli modernizacja ma byæ efektywna,
to ca³kowity zysk brutto (od momentu wykonania modernizacji do koñca ¿ywotnoœci pojazdu) musi przewy¿szaæ sumê
nak³adów poniesionych na modernizacjê i pozosta³ej wartoœci komponentów umorzonych przy modernizacji:
ZH > NM + H
gdzie:
ZH – ca³kowity zysk brutto wynikaj¹cy z modernizacji w okresie od jej wykonania do zakoñczenia ¿ywotnoœci pojazdu,
NM – nak³ady na modernizacjê,
H – pozosta³a wartoœæ komponentów umorzonych w trakcie modernizacji.
Aby warunek ten by³ spe³niony nale¿y modernizacjê
wykonaæ w odpowiednim czasie [4]. Ca³kowity zysk netto
z modernizacji w czasie t mo¿na obliczyæ ze wzoru:
Zc = ZH – Ho · (1 – t / tv ) – NM
gdzie:
Zc – ca³kowity zysk netto wynikaj¹cy z modernizacji w okresie od jej wykonania do zakoñczenia ,,¿ywotnoœci’’ pojazdu
ZH – ca³kowity zysk brutto wynikaj¹cy z modernizacji w okresie od jej wykonania do zakoñczenia ¿ywotnoœci pojazdu
Zo – ca³kowity zysk brutto z modernizacji, wykonanej na
pocz¹tku ¿ywotnoœci pojazdu
Ho – wartoœæ wyjœciowa komponentów umorzonych podczas
modernizacji
t – czas od wyprodukowania pojazdu
tv – okres ¿ywotnoœci pojazdu
tx – czas, gdy Zo osi¹ga wartoœci zerowe
NM – nak³ady na modernizacjê
Z wykresu (rys.1) wynika, ¿e:
• ca³kowity zysk netto z modernizacji jest tym wiêkszy, im
wczeœniej modernizacja jest wykonana,
• wykonanie modernizacji jest op³acalne dopóki spe³niona
jest zale¿noœæ ZH > Ho + NM , równie¿ dla ca³kowicie
nowego pojazdu,
12 / 1998
12/98 strona 24
25
Rys. 1. Wielkoœæ zysku z modernizacji w zale¿noœci od czasu jej
wykonania
• wykonanie modernizacji w okresie t > tx (tj. w czasie, gdy
¿ywotnoœæ pojazdu dobiega koñca) jest nieekonomiczne.
Zale¿noœci poszczególnych sk³adników nak³adów nie
musz¹ byæ liniowe (np. poprzez zmiany czasowych relacji,
metodyki odpisów itp.), jednak i w tym przypadku obowi¹zuj¹ podane zasady.
Korzyœci ekonomiczne z modernizacji zale¿y od jej technicznego rozwi¹zania. Kalkulacjê zysku nale¿y wykonaæ bardzo szczegó³owo. Niektóre pozornie proste rozwi¹zania mog¹
wywo³aæ nak³ady wtórne, które wyraŸnie zdewaluuj¹ ekonomiczny dochód. Tego typu sytuacja mo¿e wyst¹piæ w przypadku redukcji modernizacji tylko do wymiany silnika z pozostawieniem pierwotnej pr¹dnicy g³ównej. Ten sposób
modernizacji wydaje siê prosty i ³atwy, ale mo¿e wywo³aæ
nieprzewidywalny wzrost nak³adów. W konsekwencji koniecznoœci zastosowania silnika spalinowego o wyraŸnie wiêkszej
mocy nominalnej, zastosowania nowego systemu regulacyjnego, przebudowy u³o¿yskowania i po³¹czenia pr¹dnicy g³ównej, przebudowy peryferii itp.
Natomiast niektóre skomplikowane rozwi¹zania mog¹
nieœæ ze sob¹ ogromne korzyœci. Przyk³adem tego mo¿e byæ
zast¹pienie pierwotnego silnika spalinowego i pr¹dnicy g³ównej dwoma spalinowymi silnikami samochodowymi z dwoma alternatorami trakcyjnymi, przy czym znacz¹ce oszczêdnoœci mog¹ powstaæ w obszarze zu¿ycia i utrzymania
g³ównie dlatego, ¿e w eksploatacji bocznicowej mo¿e jeden
z silników pozostawaæ przez wiêkszoœæ czasu jako wy³¹czony. Dodatkowo tego typu rozwi¹zanie umo¿liwia wyraŸne
podwy¿szenie si³y poci¹gowej na granicy przyczepnoœci podczas rozruchu, gdy oba silniki s¹ za³¹czone [1].
Podobnie zastosowanie hamulca elektrodynamicznego
jest co prawda kosztowne, ale zwrot tej inwestycji nastêpuje ju¿ po 5÷8 latach dziêki wyraŸnemu zmniejszeniu zu¿ycia wstawek hamulcowych, które w lokomotywach przemys³owych i manewrowych jest znaczne.
W konkretnych okolicznoœciach – g³ównie w przemyœle
kopalnianym i odkrywkowym – mo¿e byæ korzystne zelektryfikowanie niektórych odcinków i zasilanie silników trakcyjnych
lokomotywy z sieci trakcyjnej.
Realizacja modernizacji
Modernizacja urz¹dzeñ napêdowych
Podstawowym elementem modernizacji urz¹dzenia napêdowego jest zast¹pienie dotychczasowych silników spalinowych, których poziom techniczny, zu¿ycie materia³ów eksploatacyjnych i koszt utrzymania nie odpowiada obecnemu
stanowi techniki.
Mo¿liwym rozwi¹zaniem tego typu problemu jest zast¹pienie pierwotnego silnika spalinowego:
1)nowoczesnym silnikiem spalinowym o wy¿szej sprawnoœci,
2)dwoma silnikami samochodowymi o po³ówkowej mocy.
Pierwsze rozwi¹zanie niesie ze sob¹ nastêpuj¹cy problem: pierwotna pr¹dnica g³ówna jest przystosowana do
obrotów silnika spalinowego ok. 1250 min–1, natomiast nowoczesne silniki spalinowe maj¹ obroty nominalne 1800 min–1
i wiêcej. Kombinacja starej pr¹dnicy z nowoczesnym silnikiem
spalinowym oznacza albo zastosowanie silnika o 25–30%
wiêkszej nominalnej mocy, wyregulowanego na ni¿sze obroty, albo zastosowanie miêdzy silnikiem a pr¹dnic¹ reduktora – co w obu przypadkach oznacza znaczne podniesienie
kosztów modernizacji. Reduktor powoduje równie¿ trwa³e
zmniejszenie sprawnoœci urz¹dzenia napêdowego. Taki silnik
o wy¿szej mocy nominalnej, wyregulowany na ni¿sze obroty, pracuje z mniejsz¹ sprawnoœci¹ natomiast cena jego jest
wy¿sza. Do tego mo¿e dojœæ koniecznoœæ dodatkowych
zmian zwi¹zanych z po³¹czeniem silnika ze star¹ pr¹dnic¹,
zastosowania nowego systemu regulacyjnego, zmian napêdu urz¹dzeñ pomocniczych itp. Dlatego z zasady bardziej
op³acaln¹ jest wymiana nie tylko silnika spalinowego, ale zast¹pienie równie¿ pr¹dnicy alternatorem, konstruowanym na
wy¿sze obroty i uzupe³nionym prostownikiem statycznym.
Drugie rozwi¹zanie by³o mo¿liwe dziêki konstrukcjom samochodowym silników spalinowych o mocy 300÷500 kW,
które powsta³y w ci¹gu ostatnich 15 lat. Zalet¹ tego rozwi¹zania jest znacznie mniejsza cena, która – odnoszona do
jednostki mocy – jest w przybli¿eniu po³ow¹ ceny lokomotywowego silnika spalinowego. Powodem ni¿szej ceny silników samochodowych jest ³atwiejsza technologia produkcji
spowodowana mniejszymi rozmiarami i wielkoseryjn¹ produkcj¹ [1].
Kolejn¹ zalet¹ lokomotyw z dwoma silnikami jest znaczna oszczêdnoœæ paliwa i materia³ów smarnych wyp³ywaj¹ca z mo¿liwoœci wy³¹czenia jednego silnika, dopóki moc drugiego jest wystarczaj¹ca. Dodatkowym atutem jest to, ¿e
jeden silnik spalinowy pracuje w obszarze wy¿szej sprawnoœci ani¿eli pracowa³yby dwa silniki na po³owie mocy
(rys. 2). Najczêœciej wystêpuj¹ce re¿imy pracy silnika o mocy
równej mocy lokomotywy znajduj¹ siê w obszarze ni¿szej
sprawnoœci w stosunku do jednego czynnego silnika o mocy
po³ówkowej (tab. 1).
Obawa, ¿e utrzymanie dwóch silników spalinowych bêdzie dro¿sze jest nie udowodniona. W lokomotywach dwusilnikowych zmniejsza siê zu¿ycie silników gdy¿ przez znaczn¹ czêœæ pracy lokomotywy jeden z nich jest wy³¹czony.
Równie¿ utrzymanie alternatorów jest znacznie tañsze ani¿eli klasycznej pr¹dnicy pr¹du sta³ego.
12 / 1998
12/98 strona 25
26
Rys. 2. Zale¿noœæ sprawnoœci silnika od mocy chwilowej dla trakcji:
A - lokomotywa dwusilnikowa przy pracy z dwoma silnikami lub lokomotywa jednosilnikowa, B - lokomotywa dwusilnikowa przy pracy z jednym silnikiem
W lokomotywach, w których zak³adana eksploatacja bêdzie wymaga³a wiêkszego czasu pracy w obszarze wiêkszej
mocy silnika ani¿eli po³owa mocy nominalnej lub nie mo¿na
osi¹gn¹æ wiêkszej mocy za pomoc¹ dwóch silników samochodowych, proponuje siê uzupe³nienie napêdowego silnika
spalinowego pomocniczym silnikiem spalinowym ma³ej mocy
(oko³o 100 kW), przeznaczonym do napêdu urz¹dzeñ pomocniczych podczas postoju lokomotywy, jazdy po spadku lub
do napêdu zestawów ko³owych podczas przejazdu lokomotywy luzem. Rozwi¹zanie to umo¿liwia wy³¹czenie g³ównego silnika, a tym samym zmniejszenie jego zu¿ycia i zmniejszenie zu¿ycia paliwa. Silnik g³ówny mo¿e byæ ogrzewany
z systemu ch³odzenia silnika pomocniczego i dziêki temu
przygotowany do szybkiego zastartowania i natychmiastowego obci¹¿enia.
Ze wzglêdu na to, ¿e zestawy ko³owe i silniki trakcyjne
maj¹ du¿¹ ¿ywotnoœæ, ich reprodukcja z zasady nie jest brana
pod uwagê. Komutatorowy silnik szeregowy pr¹du sta³ego
z ³o¿yskami œlizgowymi jest silnikiem przestarza³ej konstrukcji.
Jego wymiana na silnik asynchroniczny z ³o¿yskami tocznymi powoduje koniecznoœæ wymiany równie¿ osi co zwiêksza
nak³ady rekonstrukcji, a najprawdopodobniej, mimo ³atwiejszego i tañszego utrzymania, nie op³aci siê. Wyj¹tkiem móg³by byæ przypadek, gdy nale¿a³oby wymieniæ uszkodzone osie
pojazdu (np. z powodu zmêczenia materia³u), a jednoczeœnie
pierwotne silniki wymaga³yby wiêkszej naprawy (np. przezwojenia).
Modernizacja pojazdu, g³ównej ramy i nadwozia
Je¿eli w lokomotywach wózkowych odsprê¿ynowanie tworzone jest poprzez sprê¿yny œrubowe i t³umiki hydrauliczne,
to nie nale¿y go modernizowaæ. Je¿eli lokomotywa nie ma
Rys. 3. Lokomotywa spalinowa T448 po modernizacji
a) z silnikiem spalinowym zast¹pionym silnikiem o wiêkszej mocy nominalnej, z pr¹dnic¹ pierwotn¹, z now¹ regulacj¹ elektroniczn¹ i now¹ kabin¹ maszynisty (projekt czêœci elektrycznej i realizacjê systemu elektronicznego wykona³a firma LOKEL Ostrava),
b) z silnikiem spalinowym zast¹pionym silnikiem Caterpilar a pr¹dnicy alternatorem Siemensa z regulacj¹ elektroniczn¹, z wymian¹ peryferii i pe³n¹ przebudow¹ czêœci mechanicznej (projekt elektrycznej i mechanicznej czêœci oraz realizacjê elektronicznego
systemu wykona³a firma LOKEL Ostrava)
12 / 1998
12/98 strona 26
27
dwustopniowego odsprê¿ynowania, nale¿y podczas modernizacji wykonaæ drugi stopieñ odsprê¿ynowania nie tylko
w celu polepszenia komfortu jazdy, ale tak¿e aby zlikwidowaæ œlizgowe oparcie ramy g³ównej na wózkach, przez co
nast¹pi równie¿ zmniejszenie zakresu utrzymania.
Pozostawienie starego odsprê¿ynowania powoduje
ogromne trudnoœci w zakresie dalszej modernizacji lokomotywy „jednoramowej”. Odsprê¿ynowanie pionowe oraz brak
odsprê¿ynowania poprzecznego w tych lokomotywach powoduje bardzo z³e warunki pracy, co w konsekwencji ma negatywny wp³yw na stan zdrowia personelu. Zamontowanie
sprê¿yn œrubowych z ma³¹ sztywnoœci¹ w lokomotywach
dwuosiowych powoduje z zasady du¿e amplitudy drgañ w osi
poprzecznej pojazdu. Ten problem mo¿na zlikwidowaæ poprzez zastosowanie stabilizatorów.
Przy zamianie silnika spalinowego na jeden lub dwa silniki samochodowe mo¿na obni¿yæ nadwozie przez co znacznie polepsza siê widocznoœæ za stanowiska maszynisty.
Elementem, który nie powinien zostaæ pominiêty podczas
modernizacji jest wejœcie do kabiny maszynisty. Obecnie stosowane drabinki boczne nie spe³niaj¹ swego zadania zw³aszcza tam, gdzie przechodzi siê na bardziej racjonalne sterowanie lokomotywy drog¹ radiow¹. Jest to podyktowane du¿¹
czêstotliwoœci¹ wejœæ do kabiny i wyjœæ z niej. Rozwi¹zanie
wejœcia z toru po schodach na galeriê i st¹d do kabiny zosta³o zastosowane w Czechach w lokomotywie serii 731
oraz w modernizowanej lokomotywie T448 (rys. 3). Ta modernizacja niewiele podwy¿szy³a koszty, a znacznie zwiêkszy³a
wygodê eksploatacji lokomotywy.
Bez wzglêdu na zakres modernizacji system ch³odz¹cy
na lokomotywie powinien zostaæ uzupe³niony niezale¿nym
Ÿród³em ciep³a do ogrzewania kabiny i podgrzewania systemu ch³odzenia. W ten sposób, w okresie zimy, ograniczy siê
czas niegospodarnej pracy silnika na biegu ja³owym w celu
podgrzewania silnika i ogrzewania kabiny.
Optymalizacja si³y poci¹gowej i hamowania
Przy zatrudnieniu lokomotywy na posterunkach z du¿ymi pochyleniami terenu i koniecznoœci czêstych rozruchów bardzo
du¿e znaczenie ma wykorzystanie zainstalowanej mocy przy
ma³ych prêdkoœciach, gdy si³a poci¹gowa ograniczona jest
przyczepnoœci¹. Jeszcze wiêksze znaczenie ma osi¹gniêcie
du¿ej si³y hamowania na granicy przyczepnoœci – g³ównie
podczas manewrów, gdy ca³y sk³ad hamowany jest tylko
lokomotyw¹.
Naj³atwiejszym sposobem zwiêkszenia si³y poci¹gowej
i hamowania na granicy przyczepnoœci jest zwiêkszenie masy
lokomotywy za pomoc¹ balastu. Ten inwestycyjnie tani sposób pozwala na zastosowanie silnika spalinowego o wyraŸnie mniejszej mocy nominalnej (do 30%) bez pogarszania
w³asnoœci trakcyjnych. Porównuj¹c si³ê poci¹gow¹ podczas
rozruchu lokomotywy mocy 900 kW i masie 76 ton z lokomotyw¹ mocy 600 kW i masie 90 ton widaæ, ¿e lokomotywa z mniejsz¹ moc¹ ma (przy µ = 0,2 i k = 1) do prêdkoœci V = 10,9 km/h wiêksz¹ si³ê poci¹gow¹ na granicy
przyczepnoœci (do prêdkoœci V = 9,2 km/h a¿ o 18%! –
rys. 4).
Rys. 4. Zale¿noœæ si³y poci¹gowej od prêdkoœci podczas rozruchu
lokomotywy dla ró¿nych mocy i mas
FA – si³a poci¹gowa na granicy przyczepnoœci lokomotywy
mocy 600kW i masie 90t, F’A – si³a poci¹gowa na granicy
przyczepnoœci lokomotywy mocy 900kW i masie 74t
Dlatego przy ka¿dej modernizacji lokomotywy manewrowej nale¿y sprawdziæ mo¿liwoœæ zwiêkszenia masy, je¿eli jest
to mo¿liwe – koniecznie to realizowaæ.
Kolejn¹ mo¿liwoœci¹ zwiêkszenia si³y poci¹gowej na granicy przyczepnoœci jest zastosowanie dwóch agregatów pr¹dotwórczych jednakowej mocy z elektronicznym sterowaniem
mocy. Je¿eli pracuje tylko jeden z nich, nale¿y zasiliæ nim
jeden wózek zamiast wszystkich zestawów ko³owych, co powoduje wyraŸne zwiêkszenie si³y poci¹gowej na granicy przyczepnoœci przy ma³ej prêdkoœci. Je¿eli s¹ za³¹czone oba
agregaty pr¹dotwórcze, przy prêdkoœci ni¿szej ni¿ krytyczna,
nale¿y zasiliæ z jednego generatora silniki trakcyjne tych zestawów ko³owych, które s¹ doci¹¿one, a z drugiego generatora zmniejszon¹ moc¹, odpowiednie zestawy ko³owe, które s¹ odci¹¿one tak, aby nie dosz³o do ich poœlizgu [2].
Jednoczeœnie wskazane jest zmodernizowanie elementów przenosz¹cych si³ê poci¹gow¹ miêdzy wózkiem a ram¹
lokomotywy. Je¿eli przeniesienie zostanie umiejscowione
w wysokoœci urz¹dzenia poci¹gowego to 1. i 3. zestaw ko³owy bêdzie tak samo odci¹¿ony, a 2. i 4. tak samo doci¹¿ony. W ten sposób zwiêkszenie si³y poci¹gowej podczas
rozruchu mo¿e osi¹gn¹æ 10 i wiêcej procent [2].
Znacznie lepszy efekt mo¿na osi¹gn¹æ poprzez zastosowanie pneumatycznych cylindrów wyrównuj¹cych. Podobne
rozwi¹zanie mo¿na zastosowaæ równie¿ w celu zwiêkszenia
si³y hamowania na granicy przyczepnoœci przy hamowaniu
dynamicznym.
Zamontowanie hamulca dynamicznego powinno byæ
oczywist¹ czêœci¹ modernizacji. Jego znaczenie wyp³ywa
z tego, ¿e lokomotywa spalinowa podczas swej ¿ywotnoœci
zu¿ywa wiêcej ¿eliwnych wstawek hamulcowych ni¿ sama
wa¿y. Zastosowanie hamulca dynamicznego wymaga analogicznego regulowania si³y hamowania, jak opisano wy¿ej.
DwuŸród³owe zasilanie silników trakcyjnych
Obs³uga niektórych posterunków przez lokomotywy spalinowe ma specyficzny charakter, polegaj¹cy na bardzo nierów12 / 1998
12/98 strona 27
28
tualnie jako trakcyjny pojazd z zestawami ko³owymi napêdnymi na sta³e po³¹czony z hamulcem dodatkowym lokomotywy.
Tego typu modernizacja, dwuŸród³owego
zasilania z sieci trakcyjnej, zosta³a przeprowadzona w OKD – w kopalni wêgla
w Karvine [3].
System ten mo¿e pracowaæ równie¿
w odwrotnym kierunku – lokomotywê
elektryczn¹ mo¿na wyposa¿yæ w agregat
pr¹dotwórczy, który umo¿liwia eksploatacjê na torach niezelektryfikowanych.
Elektronizacja pojazdu
Efektywnej modernizacji nie mo¿na realizowaæ bez szerokiego zastosowania elektroniki. Umo¿liwia ona zast¹pienie ca³ego
Rys. 5. Pulpit sterowniczy wykonany przez LOKEL w zmodernizowanej lokomotywie
szeregu elementów kontaktowych systeT448
mu sterowania elementami bezkontaktowych. Tylko w ten sposób mo¿na osi¹gn¹æ wymienione mo¿liwoœci obni¿enia
zu¿ycia materia³ów eksploatacyjnych i nak³adów na utrzymanie, optymalizacji si³y
poci¹gowej i hamowania oraz wykorzystania zainstalowanej mocy silnika spalinowego.
Mo¿liwoœæ, które daje zastosowanie
elektroniki ilustruje rysunek 5 przedstawiaj¹cy pulpit sterowniczy zmodernizowanej lokomotywy T448, który ca³kowicie
ró¿ni siê od wykonania pierwotnego.
O znaczeniu elektronizacji mo¿e
œwiadczyæ fakt, ¿e przewa¿aj¹ca czêœæ
modernizowanych lokomotyw, które zosta³y przedstawione na Targach w Brnie
we wrzeœniu 1998 r., by³a wyposa¿ona
Rys. 6. Umiejscowienie komputera lokomotywowego LOKEL-INTELO w zmodernizow steruj¹cy komputer pok³adowy firmy
wanej lokomotywie
LOKEL Ostrava (rys. 6), który przystonomiernym podziale mocy w czasie pracy. Wystêpuje to np. sowany jest do optymalizacji nastêpuj¹cych funkcji lokopodczas za³adowywania sk³adów poci¹gów materia³ami ma- motywy:
sowymi (wêgiel, t³uczeñ itp.) – silnik spalinowy pracuje cy- • koordynacja funkcji wszystkich podsystemów lokomotywy,
klicznie: miêdzy dwoma krótkimi okresami pracy z pe³n¹ • sterowanie silnikiem spalinowym,
moc¹, pracuje kilka lub kilkadziesi¹t minut na biegu ja³owym. • sterowanie hamulcem elektrodynamicznym,
W takim przypadku celowe jest zasilanie silników trakcyjnych • ochrona przeciwpoœlizgowa,
oraz silników maszyn pomocniczych z lokalnej sieci energe- • automatyczna regulacja prêdkoœci jazdy,
tycznej. Umo¿liwia to podczas za³adunku wagonów wy³¹cze- • regulacja systemów peryferyjnych lokomotywy,
nie silnika spalinowego i ponowne jego uruchomienie po za- • funkcje diagnostyczne,
• przeniesienie danych na przenoœny telefon GSM,
³adowaniu ca³ego sk³adu [3].
Podane rozwi¹zania mo¿na zastosowaæ g³ównie w loko- • przeniesienie danych na pulpit komunikacyjny maszynisty,
motywach, w których istnieje dostatecznie du¿a przestrzeñ • identyfikacja po³o¿enia lokomotywy,
do umieszczenia urz¹dzeñ s³u¿¹cych do zasilania z sieci ener- • zdalne oraz wielokrotne sterowanie lokomotywy.
getycznej. Wystêpuje to oczywiœcie wtedy, gdy lokomotywa
wózkowa modernizowana jest na lokomotywê z mniejsz¹ in- Podsumowanie
owity zysk netto z modernizacji jest tym wiêkszy
Ca³kowity
stalowan¹ moc¹ lub w miejsce silnika spalinowego w wy- • Ca³k
im wczeœniej modernizacja zostanie przeprowadzona
konaniu trakcyjnym zastosowano silnik samochodowy.
W przypadku braku miejsca w lokomotywie potrzebne W skrajnych przypadkach mo¿e dojœæ do tego, ¿e z punktu
urz¹dzenia mo¿na umieœciæ w do³¹czonym pojeŸdzie, ewen- widzenia efektywnoœci, modernizacjê nale¿a³oby wykonaæ ju¿
12 / 1998
12/98 strona 28
29
w nowym pojeŸdzie. Odwrotnie – wykonanie modernizacji na
koñcu ¿ywotnoœci pojazdu by³oby prawdopodobnie nieekonomiczne.
• Niektóre pozornie proste rozwi¹zania modernizacyjne
mog¹ wywo³aæ dodatk
owe nak³ady
dodatkowe
nak³ady,, które wyraŸnie zde
zde-waluuj¹ zysk
Sytuacja taka mo¿e nast¹piæ w przypadku modernizacji polegaj¹cej tylko na wymianie silnika spalinowego, która mo¿e
spowodowaæ dodatkowe nak³ady z tytu³u wymiany urz¹dzeñ
peryferyjnych, rekonstrukcji po³¹czenia pr¹dnicy, koniecznoœci zastosowania nowego systemu regulacyjnego itp.
• Niektóre pozornie sk
omplik
owane rozwi¹zania mog¹
skomplik
omplikowane
prowadziæ do zwiêkszenia zysk
onomicznego
zyskuu ek
ekonomicznego
Przyk³adem tego mo¿e byæ zast¹pienie pierwotnego silnika
spalinowego dwoma silnikami spalinowymi w wykonaniu samochodowym w³¹cznie z alternatorami. W tym przypadku
znaczne oszczêdnoœci mog¹ powstaæ w sferze zu¿ycia i utrzymania, g³ównie w wyniku za³¹czenia podczas pracy manewrowej (przez d³u¿szy czas pracy lokomotywy), tylko jednego
z dwóch silników. Dodatkowo, lokomotywa dwusilnikowa
umo¿liwia znaczne zwiêkszenie si³y poci¹gowej na granicy
przyczepnoœci podczas rozruchu. Podobny efektzapewnia zamontowanie hamulca elektrodynamicznego, co prawda kosztowne, ale zwrot tej inwestycji nastêpuje po 5÷8 latach –
g³ównie dziêki znacznemu zmniejszeniu zu¿ycia wstawek hamulcowych, których w lokomotywach manewrowych i przemys³owych jest du¿e. W konkretnych sytuacjach, g³ównie
w przemyœle kopalnianym odkrywkowym i g³êbinowym, efektywne mo¿e byæ zelektryfikowanie niektórych odcinków (np.
pod nasypami lub w zag³êbieniach) i zasilanie silników trakcyjnych z sieci energetycznej.
• Doœwiadczenia wynik
aj¹ce z modernizacji dowodz¹,
wynikaj¹ce
¿e nawet w przypadk
przypadkuu modernizacji o najwiêkszym
zakresie jej kkoszt
oszt nie przekracza 50% ceny nowej lok
lokoo motywy
motywy..
Literatura:
[1] Müller J.: Pojazdy szynowe z dwoma silnikami spalinowymi.
Technika Transportu Szynowego 2/1997, s. 8–12.
[2] Müller J.: Lokomotywa manewrowa z dwoma urz¹dzeniami
napêdowymi. Zbiór referatów, XII Konferencja Naukowa „Pojazdy Szynowe” 1996, Poznañ-Rydzyna, s. 209–212.
[3] Müller J.: Nietypowe lokomotywy przemys³owe. Zbiór referatów, Miêdzynarodowe Seminarium Naukowe „Kolejowe Zestawy Ko³owe”, Katowice-Ustroñ 1995, s. 153–156.
[4] Danìk A.: Wp³yw rekonstrukcji na zmiany ¿ywotnoœci techniczno-ekonomicznej pojazdu, Nová zeleznièní technika, 3/1998,
s. 72–76, UVAR Brno.
[5] Široký J.: Kolejowe mo¿liwoœci obni¿enia nak³adów podczas
eksploatacji pojazdów. Zbiór referatów ,,Mo¿liwoœci i filozofia
modernizacji pojazdów‘’. Wy¿sza Szko³a Górnicza – Politechnika Ostrava, 1997.
* doc. in¿. Jaroslav Müller
Wy¿sza Szko³a Górnicza - Politechnika Ostrawa,
Instytut Transportu,
17 listopada 1, 708 33 Ostrava-Poruba,
Republika Czeska
tel. (+420) 696994575, fax (+420) 696916490
Wyposażenie elektryczne
pojazdów szynowych
projekty
modernizacje
eksploatacja
pojazdów
doddatkowe
wyposażenie elektryczne, komputerowe systemy sterowania
inteligentne
sterowanie agregatów pojazdów
LOKEL s. r. o., Na Obvodu 51, 703 00 Ostrava, Republika Czeska tel. +420 69 35 71 21, fax +420 69 35 27 55
e-mail:[email protected]
12 / 1998
12/98 strona 29