Запас прочности

Раньше выход из строя даже одного датчика на локомотиве мог привести к остановке состава в пути следования и срыву графика движения. Новое поколение тягового подвижного состава Трансмашхолдинга сразу проектируется так, чтобы подобные ситуации не выводили машину из строя полностью. Ключевую роль в этом играют два конструктивных принципа — дублирование и резервирование узлов и систем. Разберем, чем они отличаются, во сколько обходятся и какой эффект приносят в эксплуатации.

Надежность прежде всего

В процессе эксплуатации локомотива существуют объективные риски: детали постепенно изнашиваются, в электронике накапливаются ошибки и время от времени проявляются скрытые дефекты. Случаются внештатные внешние воздействия, возможны ошибки людей. Любой из этих факторов способен вывести отдельный узел из строя. Задача конструктора — сделать так, чтобы единичный отказ не приводил к полной остановке машины.

Как поясняют специалисты компании «ТМХ — Инжиниринг», цель резервирования и дублирования узлов — достичь требуемого уровня надежности локомотива, обеспечить безопасность движения и исключить критические простои, способные нарушить график перевозок. Наличие резервных цепей и дублирующих систем позволяет сохранить работоспособность электровоза или тепловоза в пути следования. При этом важно различать два похожих, но не тождественных подхода.

Дублирование предполагает, что в составе локомотива работают два или более одинаковых узла одновременно. Если один выходит из строя, второй сразу берет на себя всю нагрузку без потери функциональности. Классический пример — дублированные цепи питания: обе ветви активны в штатном режиме, и обрыв одной не нарушает работу системы в целом, поскольку вторая продолжает нести нагрузку без переключений и задержек.

Резервирование устроено иначе: есть основной рабочий элемент и отдельный, резервный, который включается только в случае отказа основного. Резерв может находиться в «горячем» состоянии (готов к немедленному включению) или в «холодном» (требует времени на подготовку к работе), но в любом случае он не участвует в рабочем процессе до момента сбоя.

Как все устроено на практике

Показательным примером применения этих принципов стал новый магистральный тепловоз ТЭ26, который с 2025 года выпускается Брянским машиностроительным заводом. В отличие от предшественников на нем выполнено дублирование не только блоков системы управления, что уже стало нормой для современных локомотивов, но и полупроводниковых элементов преобразователя возбуждения тягового агрегата, а также измерительных элементов в цепях возбуждения.

Такое расширение зоны дублирования продиктовано конкретной эксплуатационной задачей. Дело в том, что ТЭ26 способен водить пассажирские поезда, а значит, к системе возбуждения предъявляются повышенные требования — она участвует в энергоснабжении пассажирских вагонов. Отказ в этом случае создает неудобства для пассажиров в виде отключения освещения, кондиционирования и отопления состава. Вот почему конструкторы пошли дальше стандартного дублирования системы управления и распространили этот принцип на силовую электронику и измерительные цепи возбуждения.

Для переключения между комплектами блоков системы управления на ТЭ26 применяется модуль переключения резерва — конструктивно законченное изделие с набором интерфейсов для подключения блоков системы управления и пакетным переключателем. Это качественный шаг вперед по сравнению с предыдущими локомотивами, где для аналогичных задач использовался набор бистабильных электромагнитных реле. Замена россыпи реле единым модулем упрощает монтажные работы на этапе сборки и заметно сокращает трудоемкость технического обслуживания: меньше отдельных компонентов — меньше точек соединения, а значит, меньше поводов для отказа всей системы.

В то же время для переключения между комплектами полупроводниковых элементов преобразователя возбуждения тягового генератора в составе самого преобразователя предусмотрены соответствующие силовые переключатели. Выбор активных датчиков напряжения в канале питания преобразователя возбуждения осуществляется программно, то есть логика переключения зашита в системе управления и не требует отдельного механического узла.

В обоих случаях применяется метод ненагруженного, «холодного» резервирования. Это означает, что для переключения на резервное оборудование требуется непосредственное участие человека и снятие питания. При некотором замедлении процесса переключения это исключает риск одновременного выхода из строя двух комплектов оборудования — выбран своего рода компромисс между скоростью реакции системы и ее общей отказоустойчивостью.

Сколько это стоит и что дает

Реализация дополнительных функций неизбежно сопряжена с удорожанием локомотива, однако в масштабе всей конструктивно-технологической схемы эти затраты остаются экономически допустимыми — они нивелируются существенным повышением эксплуатационной надежности машины. Иными словами, увеличение капиталоемкости компенсируется снижением совокупных издержек на протяжении жизненного цикла локомотива.

На первый план выходит сохранение работоспособности машины при отказе одного из узлов. Эксплуатационные эффекты, которые выражаются в минимизации простоев и сходов с линии, а также в возможности продолжения движения до пункта планового обслуживания, а не аварийного ремонта посреди перегона, напрямую конвертируются в оценку экономической эффективности. Простои грузового состава или сорванные пассажирские рейсы — это несопоставимо большие потери, нежели стоимость дублирующего оборудования.

Если говорить об обслуживании, то ремонтные бригады получают чуть более сложную машину с дополнительными узлами, кабелями и коммутационной аппаратурой, но зато владелец существенно реже сталкивается с ситуацией, когда локомотив приходится эвакуировать с перегона или снимать с графика для внепланового ремонта. А именно такие нештатные события создают основную нагрузку и на сервисные службы, и на логистику перевозок.

Следующий шаг

Если ТЭ26 стал точкой, с которой началось системное расширение практики дублирования, то в новом тепловозе 3ТЭ30, который строится на Брянском машиностроительном заводе, уже отработанные подходы приобрели иной ­масштаб.

Прежде всего, изменена сама логика резервирования блоков системы управления. Вместо простого переключения между двумя одинаковыми комплектами система теперь способна к самодиагностике: при обнаружении неполадок резерв вводится автоматически, причем резервируется не весь блок целиком, а отдельные функциональные группы в его составе. Такой подход повышает общую надежность системы, поскольку выход из строя двух разных функциональных групп уже не приводит к полному отказу системы управления. Заодно продублированы источник питания системы управления и дисплей машиниста — узлы, без которых работа локомотива в принципе невозможна.

Полностью продублирован комплект полупроводниковых элементов преобразователя возбуждения тягового генератора. На ТЭ26 аналогичное решение уже применялось, но именно в случае 3ТЭ30 оно впервые рассматривается как обязательный элемент базовой конструкции.

Отдельное направление — функциональное резервирование вспомогательных систем. Устройства пуска и питания (УПП) и преобразователи частоты (ПЧ) получили резервирование через байпасные контакторы, позволяющие обойти вышедший из строя элемент, не прерывая работу вспомогательного оборудования.

Похожим образом организовано резервирование преобразователя собственных нужд, формирующего промежуточный контур напряжением 380 В: при его отказе один из тяговых инверторов может быть временно использован для замещения этой функции. Сила тяги локомотива при этом снижается, но зато машина не останавливается полностью, а только временно работает с ограничениями. Та же логика применена и к пусковым цепям: питание статорных обмоток генератора при инверторном запуске выполняется индивидуально от одного из тяговых инверторов, что создает дополнительный запас устойчивости.

Одно из наиболее значимых нововведений касается резервирования силовой установки. В трехсекционном тепловозе 3ТЭ30 с промежуточной бустерной секцией их две — в отличие от односекционного ТЭ26, где она только одна. Принципиально иная архитектура позволила заложить ряд схемотехнических решений: при отказе одной из силовых установок питание всех тяговых двигателей локомотива может осуществляться от оставшейся. Сила тяги при этом сохраняется на приемлемом уровне, хотя скорость движения пропорционально снижается. Такое решение на тепловозах прежде не применялось. Оно позволяет обеспечить качественно новый уровень отказоустойчивости всей энергетической системы локомотива.

Резервированием охвачены и другие вспомогательные контуры: преобразователь бортовой сети функционально резервируется с помощью пускозарядного преобразователя, а задатчик режимов движения имеет резервный вариант — при отказе основного машинист может перейти на резервный и с помощью наборов переключателей и кнопок продолжать набор нужной тяги. Кроме того, продублирован цифровой интерфейс обмена информацией между основными блоками тепловоза — по сути, «нервная система» локомотива, отказ которой раньше мог парализовать взаимодействие всех остальных узлов. Наконец, благодаря трехсекционному исполнению машины реализовано резервирование компрессорного агрегата, отвечающего за пневматические системы локомотива, включая тормоза.

Такая же философия закладывается и в электровоз 2ЭС9, который создается на Новочеркасском электровозостроительном заводе. Конструкторы ориентируются на многоуровневое резервирование ключевых силовых и управляющих цепей, чтобы отдельный отказ не приводил к остановке состава.

Стоит отметить, что аналогичная логика прослеживается и в других современных проектах ТМХ. Так, в конструкции брянского тепловоза 3ТЭ28 применены новый тяговый преобразователь, система распределенного управления тормозами, резервирование блока центрального управления, независимый насос прокачки охлаждающей жидкости, который задействуется при аварийной остановке дизеля. Все это очень актуально, если учитывать географию работы 3ТЭ28, которая простирается до Эльгинского месторождения в Якутии.

Возникает закономерный вопрос: можно ли перенести эти решения на другие типы подвижного состава: маневровые локомотивы, электропоезда, пассажирские вагоны. В «ТМХ — Инжиниринге» подтверждают: возможность масштабирования примененных технических решений, безусловно, имеется, но в каждом случае необходимо учитывать индивидуальные требования заказчика и будущие условия эксплуатации техники. Иными словами, дублирование и резервирование — это не универсальный шаблон, который можно скопировать с одного типа локомотива на другой, а инженерный метод, требующий специального расчета: какие узлы критичны именно для этой машины, какой уровень отказоустойчивости экономически оправдан для конкретного сценария эксплуатации и какой ценой обеспечивается ожидаемый эффект.

Эволюция подходов к обеспечению работоспособности техники в случае возникновения нештатной ситуации показывает довольно ясную траекторию: от точечного дублирования отдельных электронных блоков — к комплексному подходу, охватывающему силовую установку, вспомогательные системы, цепи управления и даже пневматику. Экономика этого процесса устроена просто: дополнительные затраты на этапе производства и обслуживания локомотива несравнимо меньше потерь, которые несет перевозчик от схода состава с линии и срыва графика. При этом сами инженерные решения резервирования и дублирования постепенно становятся золотым стандартом, который распространяется на новые проекты и может быть с успехом использован при создании подвижного состава других типов.

Опубликовано в журнале «Вектор ТМХ»