Тепловоз тянет тысячи тонн груза через Сибирь и Дальний Восток при морозах до -50 градусов. Сутки напролет, без контактной сети. Всю эту работу делает дизельный двигатель — источник тяги всего локомотива. Технические требования к современным тепловозным дизелям исключительно высоки: использовать их предполагается в режиме длительной непрерывной нагрузки. Тяговый генератор или гидропередача, вспомогательное оборудование систем охлаждения и управления — всё это единый комплекс с дизельным двигателем в центре. Понимание устройства этого комплекса напрямую связано с грамотным подбором деталей при ремонте: запчасти для двигателей тепловозов занимают особое место среди железнодорожных комплектующих по уровню нагрузок и требованиям к качеству.
Коротко
- Тепловозы работают на дизельных двигателях внутреннего сгорания: они дают высокий тяговый момент с малых оборотов без электросети вдоль пути.
- Самые распространенные серии дизелей: 10Д100 (двухтактный) и Д49 с модификациями (четырехтактные). Они стоят на большинстве магистральных и маневровых тепловозов России и стран СНГ.
- Мощность тепловозного дизеля — от 400 до 4000 кВт в зависимости от типа локомотива.
- Капитальный ремонт двигателя тепловоза требует замены поршней, гильз цилиндров, вкладышей, форсунок и уплотнений.
- Ресурс тепловозного дизеля до первого капитального ремонта — около 1 млн км пробега.
Дизельный двигатель тепловоза работает в жестких условиях постоянной тяговой нагрузки, резких перепадов температуры воздуха и вибраций от рельсового пути. Это предъявляет серьезные технические требования к конструкции мотора и ко всем его узлам. Тепловозы эксплуатируются в качестве единиц подвижного состава на протяжении десятилетий, и за этот срок двигатель проходит несколько циклов капитального ремонта.
Почему тепловозы работают именно на дизелях
Первые опыты с жидкотопливными моторами на железнодорожной тяге показали: локомотиву нужен двигатель с высоким крутящим моментом при низких оборотах. Бензиновые и газовые моторы такой характеристики не дают — они набирают мощность в среднем диапазоне оборотов. Дизель ведет себя иначе: максимальный тяговый момент доступен уже с минимальных оборотов и держится стабильно во всем рабочем диапазоне. Это основное преимущество дизеля для тяговых нужд железнодорожного транспорта.
Принципу действия дизель отличается от бензинового двигателя отсутствием искры: степень сжатия воздуха в цилиндрах настолько высока, что топливо воспламеняется самостоятельно при контакте с горячим воздухом. Воздух сжимается до давления 3-4 МПа, температура при сжатия поднимается выше 550 градусов. В нужный момент форсунка впрыскивает топливо — оно воспламеняется без искры. Камеры сгорания дизелей тепловозов рассчитаны на давление 12-15 МПа. В первом цилиндре и в последнем давление сгорания одинаково — это обеспечивает равномерную тягу на коленчатый вал. Тепловая энергия преобразует движения поршней в механическую работу.
Паровой тягой железные дороги пользовались до 1970-х годов, однако дизельные локомотивы вытеснили её полностью. Паровая установка потребляла жидкого топлива и воды значительно больше, её старый КПД не превышал 10-12%. У современного тепловозного дизеля КПД — 40-45%. Ряда серьезных преимуществ паровая тяга обеспечить не могла: ни высокой топливной экономичности, ни надежной работы при низкого давлении пара на холостом ходу.
Отработанные газа после выхода из цилиндров приводят в движение ротор турбокомпрессора, возвращая часть тепловой энергии в цикл наддува. Потери при этом значительно меньше, чем у паровой машины. Снижение расхода и выбросов — задача, которую решают через оптимизацию топливной аппаратуры. Дизельные двигатели сегодня остались основным источником тяги на неэлектрифицированных линиях. Энергетические показатели современных тепловозных дизелей сделали их незаменимыми для железнодорожного транспорта.
По сравнению с газотурбинными установками дизели более экономичны при широком диапазоне нагрузок. Возможность работы на солярке без специальной инфраструктуры делает дизель незаменимым для ведения поездов в отдаленных районах. Принципу создания тяги в тепловозных дизелях не меняется: сжатие — впрыск — сгорание — расширение. Этот цикл повторяется сотни раз в минуту в каждом из цилиндров на протяжении всей работы двигателя. Оставаться надежным источником тяги десятилетиями — это и есть главная задача тепловозного дизеля, отличающая его от двигателей других применения.
Современные тепловозные дизели оснащают турбокомпрессором — он нагнетает воздух в цилиндры за счет энергии отработанных газов. Больше воздуха — больше топлива за цикл — выше мощность. Жидкостное охлаждение обязательно: при сгорании температура в камере достигает 600-900 градусов, и без охлаждения металл деталей выйдет из строя. Связь между состоянием уплотнений и тепловым режимом прямая — изношенные прокладки ведут к перегреву двигателя.
Основные типы и характеристики тепловозных двигателей
По числом цилиндров, расположению и способу передачи мощности тепловозные дизели делятся на несколько категорий. Рядные двигатели с 6 цилиндрами применяют на маневровых тепловозах, V-образные с 12 и 16 цилиндрами — на магистральных. В случае V-образной компоновки угол расположения рядов составляет 45 или 60 градусов. Вертикально расположенные цилиндры стали стандартом тепловозостроения — силовых установок с горизонтальной схемой практически нет. Модели маневровых тепловозов используют рядные двигатели, грузовой и пассажирский магистральный класс — V-образные с частотой вращения 750-1000 об/мин. По сравнению с автомобильными дизелями тепловозные работают при более низкой частоте вращения и более тяжелых условиях нагрузки.
Двухтактные дизели (серия 10Д100) срабатывают на каждом обороте коленвала — это дает высокую удельную мощность. Четырехтактные (Д49, 5Д49, 1А-5Д49) горят равномернее, тепловая нагрузка на детали ниже, расход топлива меньше. Последних разработок в области тепловозного двигателестроения придерживаются четырехтактные установки с электронным управлением топливной аппаратурой. Колеса тепловоза приводят тяговые электродвигатели колесных пар, которые питает дизель-генератор.
При электрической передачей мощности трехфазные генераторы или генераторы постоянного тока вырабатывают энергию для тяговых двигателей. Различаются установки по схеме регулирования: эффективного управления тяговым усилием добиваются через управление возбуждением генератора. Электрическая передача преобладает на магистральных локомотивах России. При гидравлической — мощность идет через гидротрансформатор. Существует ряда конструктивных исполнений в зависимости от серии тепловоза и модификаций двигателя.
| Серия двигателя | Тактность | Цилиндров | Мощность, кВт | Применение |
|---|---|---|---|---|
| 10Д100 | 2-тактный | 10 (оппозит) | 2206 | ТЭ10, 2ТЭ10 |
| 5Д49 | 4-тактный | 16V | 2940 | 2ТЭ116, ТЭП70 |
| 1А-5Д49 | 4-тактный | 12V | 2574 | ТЭП70БС |
| ПД1М | 4-тактный | 6 рядный | 515 | ТГМ-40, маневровые |
| Д6 | 4-тактный | 6 рядный | 220 | малые маневровые |
Мощность двигателя определяет, какой состав потянет тепловоз. Магистральный 2ТЭ116 несет дизель мощностью 2940 кВт на секцию, двухсекционный суммарно развивает около 6000 кВт — этого хватает для грузового поезда массой 5000-6000 тонн. Маневровые ТЭМ2, ТГМ-40 оснащены двигателями 400-750 кВт: для маневровой работы нужен тяговый момент на малых оборотах. Удельный расход топлива у четырехтактных тепловозных дизелей — 200-225 г/кВт*ч. У двухтактного 10Д100 расход выше на 15-20%. При модернизации тепловозов перешли на Д49 именно по причине экономичности. Ресурс до капитального ремонта у серии Д49 составит около 1 млн км против 800 тысяч у 10Д100.
Устройство ключевых узлов тепловозного дизеля
Устройство тепловозного дизеля включает несколько взаимосвязанных систем. Блок цилиндров, поршневая группа, коленчатый вал, топливный механизм подачи, газораспределительный механизма, охлаждение и смазка — каждый элемент несет нагрузки, недоступные обычной автомобильной технике. Количество цилиндров, диаметр поршня и ход определяют рабочий объем и характеристики. Вспомогательное оборудование — масляный насос, водяной насос, турбокомпрессор, вентиляторы — функционирует в тесной взаимосвязи с главными системами двигателя.
Блок цилиндров отлит из чугуна или легированной стали, в него вставлены сменные гильзы. Поршень движется в гильзе и передает давление газов через шатун на коленвал. При сгорании давление в камеры сгорания достигает максимума — именно в этот момент клапан выпуска закрыт. Поршневые кольца уплотняют зазор между поршнем и гильзой. При их износе газы прорываются в картер, мощность падает, расход масла растет. Детали двигателя подвергаются воздействию высоких температур и давления одновременно — действия этих факторов приводят к накоплению усталостных напряжений в металле.
Коленчатый вал воспринимает усилие от всех цилиндров. Масло поступает к вкладышам через каналы в валу под давлением от масляного насоса — обратная схема подачи смазки, при которой насос непрерывно нагнетает масло в подшипники. Система смазки подает масло ко всем трущимся поверхностям: вкладышам, поршням, распредвалу. Фильтры задерживают продукты износа. В начале работы после пуска масло должно прогреться до рабочих температур — при запуске холодного дизеля большая часть суммарного износа приходится именно на первые секунды.
Топливный насос высокого давления (ТНВД) — важной части топливной системы — подает точно отмеренную дозу топлива в каждый цилиндр. Необходимы специальные требования к качеству топлива: серные соединения ускоряют износ иглы форсунки. Уровень давления впрыска проверяют на стенде при каждом ТО. Форсунки распыляют топливо под высоким давлением. Изношенные форсунки дают неполное сгорание — дымит выхлоп, нарастает нагар, падает скорости набора мощности. Система охлаждения обладает замкнутым контуром: охлаждающая жидкость циркулирует по каналам в блоке и головки цилиндров, поглощает тепло и отдает его в секциях радиатора. Потеря герметичности через изношенные прокладки ведет к перемешиванию жидкости с маслом. При отказе вспомогательных систем дизель не сможет продолжать нормальную работу — защита отключает тягу.
Маневровые и магистральные тепловозы: разные требования к двигателю
Маневровые тепловозы (ТЭМ2, ТГМ-6, ТЭМ-18) предназначены для работы на станциях: перемещают вагонов состав, формируют поезда, обслуживают подъездные пути предприятий. Им нужен высокий тяговый момент при малых скоростях и возможность частых пусков и остановок. Маневровые локомотивы экономичны при работе с переменной нагрузкой. Рельсовые пути заводских тупиков, портов и сортировочных станций — традиционная область применения маневровых тепловозов. Транспортные нагрузки на маневровую технику часто выше магистральных: рывки и удары при сцепке вагонов создают ударные усилия. Тяговые машины этого класса способны служить до 30-40 лет при регулярном техническом обслуживании и оставаться в рабочем состоянии при сибирских морозах. Пути сообщения на объектах в области добычи, металлургии и химии широко используют маневровую тепловозную тягу.
Тепловозный парк страны сосредоточен на крупных железнодорожных узлах. Железнодорожные предприятия обслуживают тысячи единиц локомотивов — маневровых и магистральных. Такие города как Ярославль, Уфа и Оренбург — центры технического обслуживания локомотивов европейской части. Депо в Барнауле и Ижевске работают на уральском и поволжском направлении. Тепловозы из Кемерово и Томска обеспечивают движение по сибирским магистралям. На Дальнем Востоке тепловозы из Иркутска, Хабаровска и Владивостока тянут составы по Транссибу. В Ульяновске расположен один из центров ремонта тепловозной техники. На юге страны и в Махачкала тепловозы ведут поезда по горным маршрутам, где контактная сеть нерентабельна. Казахстан и другие страны СНГ продолжают эксплуатировать тепловозы советского и российского производства.
Для бесперебойной работы депо важна своевременная поставка качественных запасных частей, особенно при высоком числе грузовых отправок. Магистральные тепловозы (ТЭ10, 2ТЭ116, ТЭП70) ведут грузовые и пассажирские поезда на главных ходах железных дорог. Двигатель идет часами на установившемся режиме, нагрузка стабильна, пуски редки. Требования — высокая мощность, низкий расход топлива, длительную надежную работу без внепланового ремонта.
| Параметр | Маневровый (ТЭМ2) | Магистральный (2ТЭ116) |
|---|---|---|
| Мощность, кВт | 735 | 2940 |
| Число цилиндров | 6 рядных | 16V |
| Частота вращения, об/мин | 750 | 1000 |
| Расход топлива, г/кВт*ч | 225 | 210 |
| Масса двигателя, т | 6,5 | 22 |
| Ресурс до КР, тыс. км | 800 | 1000 |
Частые вопросы
Остались ли в работе двухтактные двигатели 10Д100?
Часть тепловозов на двухтактных двигателях 10Д100 остались в эксплуатации. Ранее они составляли основу магистрального парка. Перешли на четырехтактные Д49 уже большинство крупных депо. Новая серия Д49 собственной разработки Коломенского завода стала основой магистрального парка. Ресурс до капремонта у Д49 составит около 1 млн км против 800 тысяч у 10Д100. По общему принципу действия оба типа схожи, но по показателям топливной экономичности четырехтактные двигатели значительно выгоднее. Для магистральных пассажирских и грузовых поездов тепловозы с Д49 обладают лучшими характеристиками. При ремонте двухтактных 10Д100 учитывают, что запуска холодного двигателя при морозе более сложен, чем у четырехтактных — требуются специальные масла и аккумуляторный стартер большей мощности.
Как выбрать запчасти для ремонта тепловозного дизеля?
Подбор запчастей заключается в точном определении серии и модификации двигателя. Технические параметры детали должны соответствовать заводским нормам. Продукция зарубежного производства используется в случае отсутствия отечественных аналогов. Продукция сертифицированных поставщиков обладает подтвержденными характеристиками совместимости. Гарантия ресурса детали заключается в применении изделий с документами соответствия. Начале эксплуатации новых запчастей важна аккуратная приработка — первые 100-200 км на щадящем режиме. Достигается нормальный ресурс только при соблюдении всего регламента ТО. Сложнее всего подобрать детали для старых серий с ограниченным производством — для таких случаев важно использовать проверенных поставщиков. Проект ремонта должен включать полный перечень требуемых деталей с их техническими параметрами. Прямого аналога без подтверждения совместимости лучше избегать.
Можно ли заменить двигатель тепловоза на другую серию?
Замена двигателя на отличную серию требует серьезных доработок: адаптации рамы, систем охлаждения, топливных и масляных магистралей, тягового генератора и электрооборудования. Самовольная замена нарушает нормативы. Для большинства предприятий оптимально заказать капитальный ремонт штатного двигателя с применением качественных комплектующих и деталей собственной разработки локомотивостроительных заводов. Изготовление деталей по заводским чертежам обеспечивает нормальный ресурс после ремонта.
Ремонт тепловозного двигателя и подбор запчастей
Техническое обслуживание и ремонт тепловозных дизелей регламентированы нормативами ГОСТ и требованиями эксплуатирующих организаций. Плановые виды ТО — ТО-1, ТО-2, ТО-3 — проводятся через установленные интервалы пробега. В результате планового обслуживания достигается нормативный ресурс двигателя. Значение регламентных работ трудно переоценить: их пропуск увеличивает риск отказа в пути. Поставка запасных частей для ТО организуется производителем или уполномоченными поставщиками.
Двигатель снимают с тепловоза, разбирают и дефектуют каждый узел. Соединения деталей проверяют на герметичность и соответствие допускам. Движущими деталями при дефектовке занимаются в первую очередь: поршни, шатуны, коленвал. Сборки агрегата предшествует проверка всех зазоров по картам допусков. Главными показателями износа считаются зазоры подшипников и размере овальности гильз. После дефектовки составляют карту дефектов для дальнейших ремонтов. Максимально продлить ресурс позволяет замена деталей при первых признаках предельного износа — до аварийного разрушения. Свободных аналогов без подтвержденных технических характеристик лучше избегать. Управление качеством при ремонте заключается в строгом следовании технологическим картам завода.
Детали поставки должны сопровождаться документами соответствия. Поставка изделий зарубежного производства допустима при подтвержденной совместимости с конкретной серией. Движущими силами качественного ремонта являются точность дефектовки и правильный подбор комплектующих. Производитель деталей несет ответственность за их соответствие заявленным характеристикам: использования несертифицированных изделий ведет к претензиям при гарантийных случаях. Ремонтопригодность двигателя — важнейший критерий при выборе оборудования. Износостойкие гильзы и вкладыши с надежным антифрикционным слоем дают двигателю выработать полный ресурс между КР. Благодаря применению современных материалов ресурс после ремонта составит не менее нормативного значения. Запуска двигателя после ремонта предшествует приработка на холостом ходу без нагрузки.
По мнению специалистов компании СПК-ИМПОРТ, правильный подбор запчастей для каждой серии тепловозного дизеля — это вложение в долгосрочную надежную работу локомотива и сокращение числа внеплановых простоев в процессе эксплуатации.
Об авторе
Степан Лисенков — инженер-механик, эксперт по подбору запчастей для спецтехники компании СПК-Импорт. Выпускник ДальГАУ по специальности «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». За 8 лет работы в строительных организациях провёл дефектовку более 500 единиц техники и составил свыше 3000 заявок на запасные части. Специализируется на погрузчиках, экскаваторах, бульдозерах и грузовом автотранспорте: диагностирует неисправности, подбирает оригинальные детали и аналоги с учётом технических характеристик, а реальные случаи из практики разбирает в публикациях на Drive2.
