О ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗВИТИЯ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.

 

1. ГРУЗОВЫЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЕ ПЕРЕВОЗКИ

Грузовые локомотивы составляют основу всего локомотивного парка, так как перевозка грузов — основное назначение железных дорог. Железные дороги появились как «промышленный транспорт» в конце ХVIII — начале ХIХ веков для вывоза угля и руды из шахт, но широкого распространения не нашли. Эффективность таких перевозок была низкая, но был накоплен ценный опыт. Первый паровоз сконструирован выдающимся английским инженером и изобретателем, крупным специалистом в области паровых котлов Ричардом Тревитиком по заказу угледобывающей компании. Публично паровоз был продемонстрирован в феврале 1804 г. (рис. 1), хотя спроектирован и изготовлен в 1803 г. (поэтому в литературе упоминаются разные даты изобретения паровоза).

 

Несмотря на множество недостатков в конструкции, главная причина неудачи проекта — это неэффективность паровозной тяги для работы в шахтах. С шахтовых железных дорог начинал и выдающийся английский инженер Джордж Стефенсон, будучи управляющим нескольких шахт. Используя опыт Р. Тревитика, он создал свои паровозы для шахт (1814 — 1822 гг.), но тоже без особого успеха. Проект отца, Ефима Алексеевича, и его сына, Мирона Ефимовича Черепановых, создавших 800-метровую железную дорогу в 1833 — 1835 гг. от Меднорудянского рудника до Выйского завода, также оказался неэффективным.

Ситуацию кардинально поменяла первая промышленная революция, которая началась с частных изобретений: «механического самолетного челнока для ткацкого станка» Джона Клея (1733 г.), «механической прядильной машины» Джеймса Харгривса (1765 г.), а затем «механического ткацкого станка» Эдмунда Картрайта с ножным приводом (1785 г.). Производительность труда в ткацком деле возросла в 40 раз!

Со временем стала очевидна целесообразность перехода на паровой привод, который уже активно использовался для выкач- ки воды из шахт. Но паровая машина эффективна при большой мощности — появились крупные ткацкие предприятия (рис. 2).

Сначала в Англии, потом и по всему миру, включая Россию: самыми богатыми людьми в России стали владельцы ткацко-прядильных фабрик Морозовы, Мамонтовы и др. Создание крупных ткацко-прядильных фабрик потребовало регулярного снабжения углем и хлопком. Вот тут и возникла необходимость в новом виде транспорта — железнодорожном. Таким образом, железнодорожный транспорт стал возможным благодаря первой промышленной революции. И наоборот: революция стала возможна благодаря железнодорожному транспорту.

Первой с паровозной тягой стала железная дорога компании Stockton & Darlington между портом в городе Стоктон-он-Тис и промышленным центром в городе Дарлингтон (1825 г.) длиной в 40 км. Дж. Стефенсону повезло стать строителем этой дороги, которая стала техническим прорывом, а название паровоза «Locomotion» — нарицательным. Сам «Locomotion» сохранен в музее Darlington Railway Centre & Museum.

Завершением становления эпохи паровозов стало строительство железной дороги из порта города Ливерпуль в ткацкий промышленный центр — город Манчестер. В октябре 1829 г. были проведены «Рейнхильские состязания», на которых победил локомотив «Ракета» Дж. Стефенсона, ставший родоначальником всех последующих паровозов и тоже сохраненный в музее (рис. 3).

После успешного запуска линии Ливерпуль — Манчестер начали огромными темпами развиваться как промышленность, так и железные дороги — неотъемлемая часть первой промышленной революции. На протяжении всего ХIХ — начала ХХ веков железные дороги оставались монополистами на рынке перевозки грузов. Ситуация поменялась с изобретением и распространением автомобилей, прежде всего в США. Если с 1832 по 1916 гг. длина железных дорог США достигла 409 тыс. км и по ним осуществлялось 100 % внутригосударственных перевозок (пассажирских и грузовых), то к началу 1980-х годов общая протяженность действующих железнодорожных путей в США сократилась до 260 тыс. км, а их доля на рынке перевозок сократилась до 40 %.

Энергоэффективность железнодорожного транспорта (ЖДТ) существенно выше. Приведем пример. На ровной площадке локомотив может сдвинуть с места состав массой 10 тыс. т, развив силу тяги всего в 50 тс, т.е. необходимая сила тяги в 200 раз меньше массы поезда. Это аналогично попытке сдвинуть автомобиль Лада Приора массой 1100 кг усилием в 6 кгс, т.е. одним мизинцем. А груженный КамАЗ массой 12 т — усилием 60 кгс, т.е. одной рукой. И при этом железная дорога проигрывает конкуренцию автомобильному транспорту! Причина в большей оперативности и проблеме «последней мили». А еще «злую шутку» сыграли десятилетия монополизма ЖДТ: качество обслуживания оставалось на низком уровне. Не спас от потери рынка даже переход от паровозов к гораздо более эффективным электровозам и тепловозам. В России ЖДТ стал терять рынок гораздо позже — в конце ХХ века. В результате услугами ЖДТ пользуются только, если нет возможности отправить груз автомобильным транспортом. Опросы выявили главные проблемы грузовых перевозок ЖДТ: сложность оформления документов, отсутствие точной даты доставки грузов, и только потом высокие тарифы. Нерасторопность привела, в том числе, к потере рынка 3- и 5-тонных контейнеров. Таким образом, грузовые перевозки на ЖДТ остаются востребованными на дальних маршрутных перевозках: уголь (больше половины всех перевозок), руда, лес, нефтепродукты, строительные материалы, сельскохозяйственная продукция. Успешно развиваются контейнерные перевозки.

Маршрутные перевозки эффективней при повышении массы поезда. Поэтому востребованы мощные локомотивы. Число секций у современных локомотивов достигает четырех (рис. 4).

Компания General Electric пошла по пути создания системы многих единиц из односекционных тепловозов (рис. 5).

Главный перевозимый груз на железных дорогах — уголь (60 %), объем перевозок которого сохранится еще 30 — 50 лет. Сокращение объема угольных перевозок возможно из-за развернувшейся борьбы с парниковым эффектом, хотя на самом деле выбросы от промышленности составляют всего 3 % от общего, поступающего в атмосферу естественным путем углекислого газа (CO2). Главным конкурентом угля и нефтепродуктов могут стать термоядерные электростанции, которые гипотетически могут дать неисчерпаемый и недорогой источник электроэнергии. Над многомиллиардным проектом экспериментальной термоядерной электростанции ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) на юге Франции работают страны ЕС, США, России, Индии, Китая, Южной Кореи и Японии.

Получение перспективной технологии ожидается в период 2025 — 2035 гг. В этом случае ситуация на энергетическом рынке кардинально изменится. Электрическая тяга станет основной в автомобильной и железнодорожной отраслях. Спрос на уголь резко упадет, и объем его перевозок существенно сократится. Грузовые локомотивы будут по-прежнему востребованы как самый экономичный вид транспорта для маршрутных регулярных перевозок, хотя автомобильный транспорт будет продолжать «отнимать» грузы у ЖДТ. Сократятся угольные перевозки, но увеличатся контейнерные и контрейлерные перевозки (смешанные железнодорожно-автомобильные перевозки прицепов, полуприцепов, трейлеров). Сохранится перевозка леса, минералов и руд, строительных грузов.

Грузовые электровозы переменного тока с выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП), массово выпускаемые на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ), останутся востребованными ближайшие 40 лет. Замена серий семейства ЭС5К вряд ли возможна на электровозы с асинхронным приводом из-за их худших энергетических характеристик и гораздо более высокой стоимости. А вот замена электровозов постоянного тока на асинхронные скорее всего произойдет в ближайшие 10 —20 лет, так как система управления электровозов серий ЭС4К, ЭС6 морально устарела и по сути осталась на уровне технических решений 1930-х годов.

Гораздо скоротечней будет перспектива всех видов тепловозов с дизель-генераторными установками (ДГУ): их замена на газотурбинные, водородные или аккумуляторные произойдет достаточно быстро. Можно предположить, что в течение 10 лет разработка тепловозов с ДГУ будет прекращена. Напомню, что стоимость 1 кВт·ч ДГУ в 2 — 3 раза выше, чем на электровозах.

Водородный двигатель будет востребован на малодеятельных неэлектрифицированных участках обращения, хотя в маневровой работе представляется более перспективным аккумуляторный транспорт.

 

2. ПАССАЖИРСКИЕ ПЕРЕВОЗКИ

Перевозка пассажиров началась одновременно с грузовыми перевозками. Даже родоначальник всех паровозов был остроумно назван Дж. Стефенсоном «Ракета» как реакция на статью, в которой утверждалось, что люди скорее полетят на ракете, чем поедут на паровозе. Отличились и немецкие врачи, утверждавшие, что при скорости 40 км/ч в мозгу человека произойдут необратимые изменения. Тем не менее, пассажирские перевозки развивались. Интересно, что ширина европейской колеи 1435 мм взята от пассажирских экипажей того времени.

Первые паровозы использовались одновременно для грузовых и пассажирских перевозок. Но специализация локомотивов на грузовые, пассажирские и маневровые произошла достаточно быстро и сохраняется до сих пор, добавив еще и моторвагонный подвижной состав для пассажирских перевозок. Настоящий бум пассажирских перевозок имел место в США. С 1830 г. перевозка людей на Запад имела стратегическое геополитическое значение. А завершение строительства в 1869 г. Первой трансконтинентальной железной дороги ознаменовало новый этап освоения Америки. Немногие знают, что знаменитый образ ковбоя — это образ логистического работника железных дорог, подгонявшего стада с юга к  поездам для отправки на Восточное побережье. К 1916 г. 100 % всех дальних пассажирских перевозок в США осуществляли железные дороги.

Развитие автомобильного транспорта и авиации существенно изменило рынок дальних пассажирских перевозок. Дальние «классические» поездки постепенно уходят в прошлое даже в современной России. Например, такой когда-то популярный поезд Иркутск — Москва «Байкал» (№ 9/10) в 2013 г. прекратил существование, а самый популярный на Транссибе поезд Владивосток — Москва «Россия» (№ 1/2) стал ходить три раза в неделю и в укороченном составе. Закупленные в 1980-е годы двухсекционные электровозы серий ЧС6, ЧС7, ЧС8 и другие для вождения составов свыше 20 вагонов оказались невостребованными.

Возрождение дальних пассажирских перевозок связано с развитием высокоскоростного движения. Первопроходцами стали Японские железные дороги в 1960-е годы. Через 20 лет подключились Французские железные дороги, затем — Немецкие. Сейчас лидерами являются Китайские и Итальянские железные дороги. Средний пассажир готов ехать дневным поездом 4 ч и ночным поездом 12 ч. При средней скорости 300 км/ч конкурентоспособность железнодорожных поездок — это, соответственно, 1200 и 3600 км. Скоростной электропоезд на маршруте Пекин — Нанкин считается самым быстрым регулярным поездом в мире, преодолевающим 1022 км за 3 ч 21 мин при средней скорости 318 км/ч и максимальной — 350 км/ч. Скоростные электропоезда — тренд развития пассажирских перевозок.

Конкурентом скоростных железнодорожных перевозок считаются поезда на магнитном подвесе, уже достигающие скорости в 600 км/ч. Но это пока очень дорогой вид транспорта. Уже обсуждаются проекты поездов с левитацией в вакуумной трубе со скоростями в несколько тысяч км/ч. Но пока говорить о массовости такого вида транспорта рано: еще лет 50 скоростные электропоезда будут лидерами дальних пассажирских перевозок.

Захват дальних пассажирских перевозок авиакомпаниями предсказал Джозеф Редьярд Киплинг, известный нам детскими рассказами и «Книгой  Джунглей». В 1930-е годы в своих фантастических рассказах он предсказывал захват власти в мире в концеХХ века авиакомпаниями («С ночным пакетботом», «Просто как A. B. C.»), потому что деловым людям надо будет много перемещаться. Но в спор с автором вступил один из самых выдающихся людей прошлого века Норберт Винер — американский математик, один из основоположников кибернетики и теории искусственного интеллекта. В 1938 г. он пишет статью, в которой соглашается с Р. Киплингом, что мировая экономика станет единой. Но Н. Винер последовательно доказывает, что информационный обмен сделает ненужным постоянные авиаперелеты. И власть, если и захватят, то не авиакомпании, а владельцы систем информационного обмена. Предсказания Н. Винера оказались пророческими.

Гигантские темпы развития информационных технологий последние 20 лет, с одной стороны, и пандемия последних двух лет, с другой — обеспечили существенный скачок в развитии дистанционного общения через интернет, видеоконференции. Далее можно ожидать только расширения функциональности дистанционных технологий, добавления 3D-технологий, систем промышленного зрения, дополненной реальности и многого другого. Нормой стала удаленная работа. Все это вместе взятое может привести к сокращению востребованности высокоскоростного движения. Останется туризм, но и тут не все так просто. Недавно автору статьи удалось совершить 3D-виртуальную экскурсию по Эрмитажу. Это было, как минимум, не хуже очной экскурсии. Виртуальный туризм гораздо эффективней и даже интересней.

Пригородный, межобластной и городской пассажирский транспорт — вот кому меньше всего угрожает конкуренция. Мегаполисы задыхаются в пассажиропотоках. Автомобильный транспорт не может создать конкуренцию в городе при всей своей важности и востребованности. Но развитие городского рельсового транспорта — тема отдельной статьи.

 

БЛИЖАЙШИЕ ТЕНДЕНЦИИ

Важная тенденция на железнодорожном транспорте — дальнейшая автоматизация управления локомотивами и электропоездами. В рамках четвертой промышленной революции на транспорте активно идет создание единой киберфизической системы «Цифровая железная дорога». Сам подвижной состав имеет микропроцессорные системы управления (МСУ). Уже сейчас отлаживается система информационного обмена между стационарными автоматизированными системами управления движением поездов (АСУЖТ) и МСУ тягового подвижного состава. Уже сейчас можно легко запросить дислокацию любого локомотива, узнать фамилию машиниста и начальника поезда, населенность пассажирских вагонов и составность грузовых.

В мировой практике беспилотные поезда — уже не редкость. В этом направлении ведутся работы и в России. Информационные технологии кардинально поменяют процесс управления перевозками и самим подвижным составом. Прославленная профессия машиниста в ближайшие два десятилетия уйдет в историю. Уйдет в историю и профессия проводника вагона.

Выпуск магистральных грузовых электровозов продолжится еще не одно десятилетие. Выпуск тепловозов с дизель-генераторными установками прекратится в ближайшие два десятилетия. Альтернативой будут дальнейшая электрификация, а также переход на водородные двигатели и аккумуляторный подвижной состав. В ближайшие минимум 50 лет локомотивный парк будет попрежнему востребован.

Развитие высокоскоростного железнодорожного движения будет трендом ближайших десятилетий и все-таки начнется и в России, несмотря на имеющее в настоящее время определенные трудности.

Сам подвижной состав будет создаваться с минимальным объемом предусмотренного технического обслуживания и ремонта (ТОиР), увеличением межремонтного пробега, с пониженной итенсивностью отказов на 1 млн км.

Конструкция подвижного состава будет усложняться. Продолжится специализация компаний по выпуску тех или иных видов оборудования и даже узлов и деталей. Локомотивостроительные заводы постепенно будут превращаться в локомотивосборочные с закупкой оборудования у соответствующих лидеров мирового рынка.

Усложнение конструкции локомотивов, повышение требований к качеству их обслуживания сделают невозможным осуществление ТОиР силами работников локомотивных депо. Поэтому будет развиваться крупно-модульный принцип ремонта с обслуживанием замененных модулей на заводах-изготовителях или в их центрах сервисного обслуживания. Эпоха, когда любой вид ремонта можно было исполнить в депо, постепенно уйдет. Таким образом, в видоизмененном виде железнодорожный транспорт в России будет востребован еще ближайшее столетие, а скорее всего, и дальше.

 

 

 

Локомотив № 12. Декабрь 2021 г.

И.К. ЛАКИН, д-р техн. наук, профессор.