2012
2011
2010
2009
2008
2007
archives




Eлектрическилокомотиви TRAXX F140 AC2

Инж. Петър НОВКИРИШКИ – БДЖ ЕАД

 

Novkirishki.jpgС подписването през 1998 на договора между германските железници (DB AG) и Bombardier1 за производство и доставка на 400 двусистемни електрически локомотива серия 185, двете страни се споразумяват и за техническо осъвременяване на концепцията за серията, в хода на производството. Причината е заложеният в договора дълъг производствен период от 8 години, през който се предвижда неминуемо да настъпи промяна в техническите стандарти, и фактът, че инженерите на Bombardier работят в непрекъснато сътрудничество с водещи научноизследователски институти по света и съвместно постигнатите иновативни технически решения могат успешно да се приложат на практика в серийното производство. Решено е локомотивите от серията с поредни номера от 201 до 400 да се изградят чрез прилагането на някой от последните технически постижения и тези возила условно са означени от DB като подсерия 185.2. Заводското им обозначение е TRAXX F140 AC2, като с цифрата 2 се означава принадлежността към по-съвременна модифицирана версия, спрямо първите 200 локомотива от серията, които са от типа TRAXX F140 AC (виж бр. № 5/2010 на списанието). Появата на новата подсерия бележи и нов етап в развитието на платформата, обозначен от производителя като TRAXX 2.

Преди да започне серийното производство, се налага предварителното тестване на новите технологии, като за целта са избрани локомотиви 185 083, 185 084 и 185 150, модифицирани чрез вграждане на компоненти от новото оборудване. От декември 2003 започват едногодишни интензивни тестове в реална експлоатация, с цел получаване на одобрение и узаконяване на техническите нововъведения от независимия федерален орган Eisenbahn-Bundesamt, отговарящ за спазването и прилагането на законодателството в железниците на Германия. През май 2004 Bombardier конструират локомотив 185 561, като прототип на TRAXX F140 AC2. Във формация с измерителни вагон-лаборатории, локомотивът се изпитва по мрежите на Германия, Австрия и Швейцария в продължение на 7 месеца, за да се гарантира съответствието на новия продукт с техническите условия и получаване на одобрение за серийно производство.

На 14 януари 2005 на тържествена церемония в централното хале на завода в Касел Bombardier представят първия локомотив 185 201 от новата подсерия, който излиза от поточната линия за сглобяване с фабричен номер 33700.

Основните аспекти в разработването на версията TRAXX F140 AC2 са насочени към усъвършенстване на елементите от силовото оборудване, системите и цялостната конструкция на локомотивите, както следва:

 

Тягови преобразуватели

През 1987 компаниите Brown, Boveri & Cie и Schweizerische Lokomotiv-und Maschinenfabrik произвеждат в Швейцария електрически локомотиви серия Re 456, които са първите в света с тягови преобразуватели, изградени чрез прилагането на двуоперационни тиристори GTO. Натрупаният от Bombardier опит в сферата на трифазните задвижвания и развитието на силнотоковата електроника закономерно водят до еволюция от GTO към IGBT-технология, което позволява на компанията да започне от 2003 серийно внедряване в локомотивите TRAXX AC на нов тип тягов преобразувател от фамилията MITRAC TC 3200, изграден от Integrated Power Module (IPM)/интегрирани мощностни модули. Преобразувателят е с водно охлаждане, което е благоприятно за околната среда. Отличава се с компактност, по-ниска маса, модулно изпълнение, възможност за пълен достъп и безопасен допир, прости, благоприятни за потребителя процедури по поддържането и възстановяването. IPM модулът (силов електронeн комутатор на базата на IGBT) представлява възможно най-малката заменяема преобразуваща единица (размери 254  x 225 x 54 мм и маса 4 кг) и включва следните компоненти:

●    IGBT – биполярен транзистор с изолиран гейт;

●    антипаралелен диод;

●    интегриран радиатор за водно охлаждане;

●    щепселни електрически контакти;

●    формировател на управляващи импулси GDU (Gate Drive Unit).

Тоководещите елементи в IPM модула са с изключително малка индуктивност, което позволява първичните IPM модули да се присъединяват в паралел, формирайки ниско индуктивни фазови блокове, проектирани за напрежение 2800 В на междинния токов кръг от преобразувателя. Всеки клон от фазовия блок, съдържащ IGBT транзистор, е реализиран с два паралелно включени IPM модула. В резултат, фазовият блок съдържа четири IPM и е с размери 455 х 150 х 410мм, при маса 25 кг. В този случай GDU на един от модулите изпълнява функциите на главен и управлява останалите, паралелно включени. Осем фазови блока заемат централната част от шкафа на тяговия преобразувател на локомотивите TRAXX F140 AC2, отляво са поместени контактори и прекъсвачи, отгоре кондензаторите от междинния токов кръг и поглъщащият контур, отдясно – електрониката от системите за управление. В долната част на отсека с фазовите модули са монтирани устройствата за свързване към тоководещите шини. Размерите на преобразувателя са 3,4 х 2,17 х 1,05 м, теглото 2230 кг, а изходната мощност 3100 кВт.

Употребата на IPM модули позволява да бъдат елиминирани сложните и с нисък КПД вeриги Snubber, които се използват при преобразувателите с GTO и служат за ограничаване на нарастването на напрежението и тока. Управляващите вериги на IPM са много по-опростени и оптимизирани. Главните предимства от прилагането на IGBT-транзистори в преобразувателя са:

●    по-малък брой елементи, от което произтича по-висока надеждност;

●    повишен общ КПД на тяговата верига поради малки комутационни загуби в IGBT-транзисторите и минимална консумирана мощност от управляващите вериги;

●    намаляване размерите и масата на преобразувателя при съществено подобряване на работните характеристики, благодарение високата честота на комутация (честотата на превключване при IGBT достига 1700 Хц, спрямо 400 Хц при GTO-тиристорите от същия мощностен диапазон);

●    работа при по-високи основни и управляващи напрежения, което способства за опростяване схемата на запушване;

●    по-малкото минимално време за превключване прави възможно по-бързото отпушване;

●    по-високата тактова честота на инвертора способства за намаляване съдържанието на хармоници в кривата на тока и намаляване загубите от вихрови токове в тяговия трансформатор;

●    по-ниските загуби способстват за намаляване на разходите за охлаждане.

 

Модулна спирачна система

Разработена е от фирмата Knorr Bremse AG, съвместно с Deutsche Bahn AG и Bombardier. Проектирана е в съответствие с UIC-стандартите за всички европейски държави. Модулната концепция позволява бъдещото й инсталиране на всички локомотиви от фамилията TRAXX. Цялото пневматично и електропневматично спирачно оборудване е обединено в компактна единица с проста диагностика. Във всеки от модулите е поместен хардуер и софтуер за комуникация, чрез система от бусове както с бордовия компютър, така и между отделните модули. Освен това модулната спирачна система благоприятства за постигане на по-елегантен аранжимент на контролния панел и блока с електрониката.

Основните предимства на системата са:

●    удобна за потребителя архитектура, благодарение обединяването на стотици компоненти в компактни модули;

●    бързо откриване на дефекти чрез използване на вътрешна диагностика;

●    високи нива на надеждност на локомотива, благодарение на бързата и проста замяна на дефектиралите модули;

●    намалено окабеляване (с над 50%) чрез прилагане на система за комуникация между модулите, използваща система от бусове за пренос на данни;

●    висока икономичност, благодарение на големия брой стандартизирани компоненти;

●    точно адаптиране към специфичните експлоатационни условия;

●    компоненти, съответстващи на изискванията на UIC, съгласно последните европейски стандарти;

●    възможност за децентрализиран монтаж на модулите или монтаж на централния спирачен панел, с лесно достъпни експлоатационни елементи и позиции за осъществяване на тестване;

●    намалено време за поддръжка и ремонт;

●    ниски разходи по време на експлоатационния живот на локомотива;

●    олекотени компактни модули;

●    лесна инсталация;

●    опростени интерфейси;

●    възможност за добавяне на нови функции чрез осъвременяване на софтуера.

 

Локомотивен кош с повишена устойчивост на сблъсък

В резултат от непрекъснатото осъвременяване дизайна на локомотивите серия 185 в процеса на производството им, подсерия 185.2 (TRAXX F140 AC2) е снабдена с най-новата конструкция на локомотивен кош, “оптимизиран по отношение на сблъсък”, който ще се внедрява при цялата гама локомотиви от фамилията TRAXX. Многосистемният локомотив Re 484 на швейцарските железници (SBB) е първият, произведен през май 2004 от Bombardier, локомотив от фамилията с подобрен локомотивен кош.

При проектирането на новия локомотивен кош се поставя целта той да е съобразен с Техническите спецификации за интероперабилност (TSI). Новият дизайн има редица положителни качества, по-специално повишена безопасност за локомотивния машинист при фронтални сблъсъци, и ниски разходи за последващия ремонт. Подобно на пътните возила, локомотивният кош има зони на смачкване във всеки от двата края, поглъщащи огромни количества деформационна енергия при сблъсък, оставяйки останалата част от структурата невредима, дори и при много силен челен удар. Новата структура на локомотивен кош е проектирана чрез прилагането на серия от сложни компютърни симулации, а след това е изпитана в реални условия на CNTK – научно-технически жп център в Жмигрод, Полша. Защитната структура е разработена от Bombardier в сътрудничество с компанията Eisenbahn-Systemtechnik GmbH (EST), като консултант, подпомагащ инженеринговото проучване, свързано с този проект. Най-съществените сценарии на катастрофи, отнасящи се към него, са сблъсъци с други жп и пътни превозни средства или някои други големи препятствия, попаднали върху железния път.

Идеята е оптимизираният, по отношение на сблъсък, локомотивен кош да поглъща кинетичната енергия от фронталния удар в три специфични области:

●    ефикасни еластомерни буфери, поглъщащи най-малко 0,06 МДж чрез деформация (смачкваване) на гилзата. Това е типът въздействие, което обикновено може да настъпи при ниски скорости (типично за скорости до 12 км/ч), по време на маневра, без да причинява повреди и неналагащо разходи за ремонт;

●    блокове от структурата на буферната конзола, които се деформират при тежки въздействия, достигащи до 1,7 МДж (невнимателна, груба маневра и челни сблъсъци). При такива въздействия замяната на специалните буфери, а може би и на конзолните блокове също е необходима, заедно с някои панели от структурата на кабината на машиниста, които вероятно ще се деформират;

●    силни въздействия (много над 1,7 МДж), които ще доведат до предефинирано смачкване, ограничено в зоната на предната част на кабината. При възможно най-лошата ситуация, на машиниста остава пространство за оцеляване в задната част на кабината с ширина от поне 750 мм. При това, вероятността от повреждане на пространството на машинното отделение зад кабината също е намалена, ако не и напълно елиминирана.

Принос към това трето ниво на защита от последствията при сблъсък имат и:

●    снегорините (плугове) с подсилена конструкция, предназначени да отместват малки препятствия от линията, с цел предотвратяване на дерайлирания. Тези плугове представляват солидна конструкция, способна да се справя с усилие от 300 кН (и със запас от якост в резерв), като могат да бъдат регулирани във вертикално направление (по височина) и са проектирани да се деформират по контролиран начин;

●    антивъзкачващото устройство във всеки от двата края на локомотива, притежаващо минимална вертикална устойчивост от 150 кН, чието предназначение е да намали риска едно жп возило да се “покатери” върху друго, при фронтален сблъсък;

●    масивната стоманена подпорна челна греда в кабината на машиниста, разположена в зоната под челното стъкло и способна да понесе статично надлъжно усилие от най-малко 700 кН;

●    стоманената подпорна греда над челното стъкло, оразмерена за статично надлъжно усилие от най-малко 300 кН и допълнително усилване (якостта не е изрично упомената), осигурено чрез вертикални подпори от всяка страна на стъклото;

●    антипроникващата стена по протежение на цялата широчина на кабината, предпазваща от проникване на предмети – части от друго возило, товари, падащи от вагоните, и други подобни (якостта не е изрично упомената);

●    изместващите се назад столове за локомотивната бригада, в случай на фронтален сблъсък.

Към задната стена на кабината е пригодена бариерна обшивка, разположена зад спасителното пространство за машиниста. Функцията й е да предотврати изместването на кабината назад, в зоната на машинното отделение под въздействието на деформационните усилия при един сериозен фронтален сблъсък. Освен това, тя формира границата на разделение между кабината и останалата част от локомотивния кош, когато се налага кабината да се замени поради нанесени значителни повреди при сблъсък.

За да се гарантира съвместимостта на новия дизайн с по-старите локомотиви от същия тип, е било необходимо всичките тези модификации да се съчетаят в рамките на пределната дължина на локомотива от 18,9 м, с което се гарантира, че всички използвани главни компоненти са взаимозаменяеми между возилата от фамилията и няма повишение в крайното (максимално) тегло на всеки отделен локомотив.

Реалното изпитание на новата конструкция е извършено на CNTK тестов жп полигон в Жмигрод, близо до Вроцлав, на 14 и 15 май 2003. Изпитателното возило е пригодено с гол корпус на кабината, натоварено е с баласт, за да се достигне реалното тегло на локомотива от 86 т (тегло на многосистемния вариант на локомотив от фамилията) и след това е засилено със скорост 62 км/ч срещу неподвижен вагон, натоварен с баласт до постигане на тегло от 46 т. Това е в съответствие с TSI, сценарий 3, при който се имитира сблъсък с тежко возило, препречващо коловоза. От снимката, показваща състоянието на кабината след сблъсъка, е видно, че буферната греда поглъща по-голямата част от въздействието, в съчетание само с едно умерено поддаване на страните на кабината, удължавайки колкото се може назад водещите (предните по посоката на удара) колони от рамките на вратите. Крайният резултат от теста е в съответствие с очакванията и показва, че дори и при такива условия, в кабината остава достатъчно пространство за оцеляване на машиниста. След този тест, първоначалният дизайн на оптимизирания по отношение на сблъсък локомотивен кош е приспособен към незначително променените изисквания, така че напълно да отговаря на EN 15227.

 

Други значими изменения

Подобрената конструкция на кабината за управление позволява да се промени местоположението на агрегата за климатичната уредба. При локомотивите TRAXX F140 AC2 той е монтиран пред антипроникващата стена, което позволява лесен достъп за поддръжка, чрез капак под челните прозорци на кабината.

Инверторите за захранване на спомагателните машини са оборудвани с осъвременена управляваща електроника. Размерите, интерфейсите и техническите им данни са идентични с тези на локомотивите TRAXX F140 AC, с което се осигурява пълна взаимозаменяемост.

Талигите са преустроени за осно натоварване 22 т/ос (локомотивите TRAXX F140 AC са конструирани за осно натоварване от 21 т/ос), чрез усилване гредите на рамата, валовете на колоосите и тяговия прът за пренос на надлъжните усилия между коша и талигата. Задвижването на колоосите (двигател и редуктор) и спирачното оборудване на талигите остават непроменени, както и местата на свързване между коша и талигата. Увеличеното тегло на всяка една от талигите се компенсира от редуцираното с 24 % тегло на инсталираните нови IGBT тягови преобразуватели.

През 2005 графикът за доставка на серия 185 е променен. Първоначално се предвижда годишно да се произвеждат и доставят по 50 локомотива в периода 2001 - 2008. През 2005 обаче, DB решават да забавят доставката, удължавайки процеса до септември 2009. Настъпилата в края на 2008 икономическа криза принуждава DB да “замрази” извън експлоатация голяма част от локомотивния си парк. Друга предприета антикризисна мярка е спиране на доставката на нови локомотиви, така че през август 2009 производството на подсерия 185.2 временно е преустановено със завършването на локомотив 185 389. Останалите 10 локомотива са произведени през 2010 и на 29 септември в Касел д-р Клаус Баур (председател на ръководството на Bombardier Transportation Германия) официално предава последния локомотив 185 399 на Ото Нидерхофер (директор на производствени дружества в DB Schenker Rail). Причината, поради която изпълнението на договора от 1998 приключва със завършването на 399-я локомотив, е, че през 2006 един от локомотивите е произведен като тип TRAXX P160 AC2 (P – от passenger/пътнически, 160 – за максимална скорост 160 км/ч), предназначен за пътническото поделение DB Regio, като по този начин Bombardier за пореден път демонстрират на клиентите си изключителната гъвкавост на платформата TRAXX 2.

 

Бележки:

1. Чрез сливането на ABB Henschel и AEG Transportation, през 1996, е създадена компанията ADtranz. Първоначално равни дяловете на компанията се притежават от Daimler-Benz и ABB. През 1999 Daimler Chrysler купува дяловете на ABB и преименува Adtranz в Daimler Chrysler Rail Systems. Bombardier Transportation придобива компанията през 2001 и се превръща в един от световните лидери в производството на жп техника.