Admin

Техническое обслуживание и ремонт высокоскоростных электропоездов

И.И. ЛАКИН, канд. техн, наук, ведущий эксперт Группы интеграции систем управления, диагностики, безопасности и радиосвязи АО «Инжиниринговый Центр железнодорожного транспорта» (г. Москва)

Рост мирового населения последние 30 лет происходит исключительно благодаря росту мегаполисов. К XXII веку население городов ожидается до 85 %, что требует снятия транспортных ограничений.
Одним из основных способов обеспечения мобильности населения во всем мире стало создание высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ) с использованием высокоскоростных электропоездов. Началом ВСМ можно считать электровагон компании Siemens (Германия), который в 1903 г. установил рекорд скорости в 210 км/ч (рис. 1). Началась гонка рекордов скорости электрической тяги. С 1955 г. они принадлежат французским железным дорогам, на которых компания Alstom регулярно обновляла собственные достижения: 331 км/ч (1955 г.), 380 км/ч (1981 г.), 575 км/ч (2007 г.). На рис. 2 и 3 представлены рекордсмены скорости — электропоезда TGV-16 и V150. Дальнейшее повышение скорости (свыше 350 км/ч) сдерживается экономической нецелесообразностью.
Несмотря на достижения французских дорог, первопроходцами в области ВСМ стали японские железные дороги (рис. 4). Здесь в 1964 г. было открыто первое в мире массовое высокоскоростное движение между столицей Токио и городом Осако на базе сверхскоростного поезда «Синкансен» (Shinkansen, «Новая магистраль», 210 км/ч), которое окупилось за 15 лет даже при продолжении строительства. В настоящее время используются европейская колея 1435 мм, переменный ток (25 кВ, 50 и 60 Гц), эксплуатируется более 500 поездов десяти моделей со скоростями движения до 300 км/ч.


В результате внедрения «Синкансен» существенно возрос пассажиропоток Японии, который постоянно увеличивался путем строительства новых линий, удлинения составов до 16 вагонов, повышения интенсивности движения, увеличения скорости. Сейчас «Синкансен» перевозит более 1 млн пассажиров в день. При этом среднее расстояние поездки составляет 300 — 400 км, на местных авиаперевозках — более 700 км. Протяженность ВСМ в Японии — 3,5 тыс. км.
Становление ВСМ в Европе началось с опозданием от Японии на 20 лет, но быстро превзошло по своей распространенности за счет широкой сети, в то время как в Японии линии располагались вдоль берега. Первыми стали французские железные дороги и фирма Alstom (1981 г.). Вскоре фирма Siemens в значительной степени перехватила инициативу (1991 г.): поезда типа ICE (Inter City Express) производства Siemens Mobility являются самыми распространенными в Европе, а модель Velaro MS достигает скорости 320 км/ч (на постоянном токе — 200 км/ч). Всего Deutsche Bahn (DB), по заданию которой разработан электропоезд, планирует закупить до 100 таких поездов. Общее число электропоездов ICE к 2030 г. достигнет 450.
В Западной Европе ВСМ играют важную роль в развитии экономики и общества. Меняются целые города, создавая новые агломерации. Рост мобильности населения повышает уровень экономической активности стран и стал одним из важнейших факторов развития экономики XXI века. Именно с внедрением ВСМ многие регионы получили мультипликативное развитие. Главный экономический эффект — рост государственного и валового производства. В настоящее время ВСМ в Европе считается предпочтительней самолета на расстояниях до 800 км (традиционный железнодорожный транспорт — до 300 км). При этом США не являются лидером в области ВСМ, отдавая предпочтение автомобильному и авиатранспорту.
Стартовав достаточно недавно, сейчас самую развитую и протяженную сеть высокоскоростных железных дорог в мире имеет Китай: на 2022 г. 36 тыс. км (65 % мировых ВСМ) соединяют 80 % городов страны с населением свыше 500 млн человек. Планируется объединить 95 % городов, доведя ВСМ до 50 тыс. км, а к 2035 г. — 300 тыс. км. Изначально были использованы зарубежные модели электропоездов, но теперь развиваются собственные: серия CRH380A (рис. 5) рассчитана на скорость 350 км/ч (рекорд — 486 км/ч). Ее разработчик — China North Locomotive and Rolling Stock Industry (Group) Corporation, а изготовители —Tangshan Railway Vehicle и Changchun Railway Vehicle.
Скоростной электропоезд на маршруте Пекин — Нанкин является 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. В Китае уже 40 тыс. км путей рассчитаны на скорости 350 км/ч, в Европе — 20 тыс. км. Опыт Китая представляется наиболее интересным.


Высокоскоростное пассажирское движение в России связано с полигоном Санкт-Петербург — Москва (650 км). Первый поезд до Москвы (1851 г.) доехал за 21 ч 45 мин, развив среднюю скорость в 30 км/ч. Но уже в 1853 г. — за 10 ч 40 мин со средней скоростью 60,5 км/ч. К 1901 г. скорость достигла 110 км/ч, а к 1913 г. — 125 км/ч. Но время в пути при этом на многие годы оставалось на уровне 12 ч. Самым быстрым был легендарный поезд «Красная стрела» (с 1931 г. — 10 ч, с 1960-х — 8 ч в пути; средняя скорость 80 км/ч). Дальнейший рост скорости пассажирских поездов связан с переходом на тепловозную тягу. Двухсекционные пассажирские тепловозы серии ТЭ7 (1956 г.) развивали скорость в 140 км/ч. Был опыт эксплуатации тепловозов ТЭП60 (1960 г.) со скоростями до 160 км/ч.
Следующий этап развития скоростного движения в СССР связан с электровозами производства Чехословацкой Социалистической Республики. Электровозы серии ЧС2 (1958 г.) развивали скорости до 160 км/ч, как и ЧС2Т (1972 г.). Специально для Октябрьской дороги в 1974 — 1980 гг. было построено 12 скоростных двухсекционных восьмиосных электровозов серии ЧС200 с конструкционной скоростью 220 км/ч (на 2022 г. в эксплуатации находилось восемь электровозов).
Электровозы позволили запустить дневные скоростные поезда. В 1965 г. поезд «Аврора» с электровозом серии ЧС2 сократил время в пути до 4 ч 59 мин. После перехода на электровозы ЧС6 время в пути составило до 5 ч 30 мин. Электровозы серии ЧС200 позволили сократить время в пути поезда «Невский экспресс» (2001 г.) до 4 ч 05 мин.
Важным этапом становления отечественного скоростного движения стал скоростной электропоезд постоянного тока серии ЭР200 (с 1973 по 1992 гг. построено 2 состава, 28 вагонов, рис. 6) с максимальной скоростью в 200 км/ч и временем в пути 4,5 ч. Регулярная эксплуатация первого поезда началась в 1984 г. С 1997 г. эксплуатировался второй состав ЭР200. Отправление было раз в неделю (по четвергам). Последний год эксплуатации — 2009 г.
По инициативе Министерства путей сообщения (МПС), Государственного комитета по науке и технике и Академии наук СССР начались работы по Государственной научно-технической программе «Высокоскоростной экологически чистый транспорт» (Постановление Совета Министров от 30.12.1988 № 1474). В качестве полигона выбрана Магистраль Ленинград — Москва и скорости 300 — 350 км/ч. Позже уже в России в 1991 г. был подписан указ № 120 о создании РАО «ВСМ» для строительства и эксплуатации высокоскоростной магистрали. В 1994 г. защищен эскизный проект поезда ЭС250-001 «Сокол», первые вагоны которого изготовлены в 1997 — 1998 гг. По целому ряду объективных причин работы над этим поездом в 2004 г. были прекращены.
После ЭР200 с 2005 г. следующими высокоскоростными поездами в России стали составы серии ЭВС1 (3 кВ) и ЭВС2 (25 кВ, 50 Гц), созданные на платформе Siemens Velaro (рис. 7). Первый поезд «Сапсан» отправился из Москвы в Санкт-Петербург 17.12.2009 г. Именно с поездами «Сапсан» связано начало современного массового высокоскоростного движения в России.


Конструкционная скорость «Сапсана» — 250 км/ч, но в эксплуатации он достигает 230 км/ч на несколько минут (на участке Окуловка — Мстинский мост), а в основном движется со скоростью 200 км/ч, преодолевая расстояние между столицами от 3 ч 40 мин до 4 ч 02 мин в зависимости от числа промежуточных остановок при 15 парах поездов в сутки. Объем перевозок в 2022 г. превысил 6 млн пассажиров в год. Объем перевозок за день достигал 40 тыс. пассажиров.
В качестве главного недостатка ВСМ отмечается существенное ухудшение других видов движения, прежде всего пригородного. Желательно строительство отдельной высокоскоростной инфраструктуры, после запуска которой ожидается объем перевозок более 23 млн человек в год.
В 2015 г. в ОАО «РЖД» утверждена Программа организации скоростного и высокоскоростного железнодорожного сообщения в РФ. Скоростной пассажирский поезд определен как имеющий маршрутную скорость выше 91 км/ч (на 2022 г. средняя маршрутная скорость в РЖД составляет 57 км/ч) при максимальной скорости 141 — 200 км/ч. Свыше — высокоскоростное движение. В первую очередь в ВСМ входят вновь строящиеся магистрали Москва — Казань — Екатеринбург, Москва — Адлер и Москва — Санкт-Петербург для скоростей движения до 400 км/ч при маршрутной скорости свыше 200 км/ч (в пассажирском движении в целом к 2030 г. средняя скорость достигнет 65 км/ч). При этом приоритет отдается поездкам до 4 ч 30 мин. К 2030 г. ожидается построить до 7 тыс. км скоростных и высокоскоростных магистралей, среди которых не будет регионов восточнее центральной Сибири (восточнее Кемерово).
Одна из важных задач ВСМ — обеспечение надежности и безопасности движения поездов, решение которой невозможно без создания современной научно-обоснованной системы технического обслуживания и ремонта тягового подвижного состава (ТОиР). Техническое обслуживание и ремонт высокоскоростных поездов активно развиваются параллельно с самими ВСМ.

Задача обеспечения надежности подвижного состава упирается в общую проблему теории познания — необходимость принятия управленческого решения (в данном случае — о необходимости ТОиР) при ограниченном (а иногда и неверном) знании об объекте исследования (подвижном составе). Выходом стало бы создание планово-предупредительной системы ТОиР, принципом которой является обслуживание и ремонт оборудования высокоскоростных поездов, проводящийся периодически по статистике износа и отказов. Из-за особенностей оборудования менялся бы лишь объем ТОиР в зависимости от пробега. Попытки сервисных компаний отказаться от планово-предупредительных ТОиР были безрезультатны.
Также следует отметить тенденцию отказа от ремонта в условиях депо в пользу крупно-агрегатной замены отказавшего оборудования на исправное из «переходного запаса» с дальнейшим ремонтом на специализированном оборудовании и даже в условиях завода-изготовителя. Усложнение всех видов узлов (экипажная часть, электрические аппараты, электронное силовое оборудование на базе тиристоров и транзисторов типа IGBT, микропроцессорные системы управления и др.) требует высокой квалификации персонала депо, что экономически невыгодно. Именно поэтому весь мир переходит на ТОиР по контракту жизненного цикла (КЖЦ) силами производителя. При этом ТОиР остается планово-предупредительным, но становится крупноагрегатным.
Система ТОиР постоянно совершенствуется. С переходом от паровозной тяги на электровозную и тепловозную тягу расстояние между депо с 50 — 60 км увеличилось до 200 — 400 км. У высокоскоростных электропоездов ТОиР производится на конечных станциях их следования и в депо.



Первый опыт ТОиР высокоскоростных электропоездов накоплен на «Синкансен» (Япония). Отказы разделены на две группы «Fail Safe» и «Fail Auto». Первая группа отказов не приводит к нарушению безопасности движения поездов и устраняется по мере их появления, в том числе на линии. Отказы второй группы приводят к нарушению безопасности движения поездов вплоть до остановки поезда и предотвращаются планово-предупредительной системой ТОиР. Надежность оборудования по отказам «Fail Auto» определяет периодичность ТОиР. Дополнительно в процессе эксплуатации проверяются ускорения и замедления, наличие посторонних шумов, вибраций и колебаний. В этих случаях возможны неплановые ТОиР. При этом предпочтение отдается крупно-агрегатным видам ремонта. Например, перекатка тележки целиком, полная замена микропроцессорной системы управления (МСУ) и др.
ТОиР «Синкансен» предусматривает служебный осмотр в течение одного часа без демонтажа оборудования, экипировку на пунктах технического обслуживания и в депо, в основном в ноч
ное время. Там же через 30 суток или 30 тыс. км выполняется деповской ремонт в течение четырех часов, на котором проверяется работоспособность всех видов оборудования с замером основных показателей. Каждые 12 месяцев или 300 тыс. км осуществляется освидетельствование экипажной части, в том числе с разборкой («подъемочный» ремонт) продолжительностью 9 ч. Заводской ремонт выполняется каждые 30 месяцев или 900 тыс. км в течение 10 суток с использованием принципа крупно-агрегатного ремонта.
По отдельному алгоритму проверяются устройства автоведения и безопасности, в том числе каждые три месяца или 60 тыс. км. Отдельно проводится корректирующая обточка колесных пар для поддержания профиля. ТОиР не влияет на расписание движения поездов, для чего резерв вагонов составляет 10 %. Имеется диспетчерская служба на центральном диспетчерском посту, обеспечивающая перевозочный процесс подвижным составом. Дополнительно есть диагностический поезд «Doctor Yellow», который осматривает и проверяет пути и другое сопутствующее оборудование на исправность несколько раз в месяц. Днем он ездит с той же скоростью, что и остальные поезда, а ночью медленно, с тщательным обследованием всех участков пути.


ТОиР высокоскоростных электропоездов производства Siemens принципиально не отличается от японских и носит планово-предупредительный характер на базе многоканавных депо, которые были специально переоборудованы под систему высокоскоростных поездов (ICE) в Нюрнберге, Гамбурге, Айдельштедте и др.). Работы выполняются в трех уровнях: в канавах, на площадке и наверху с демонтированным мостовыми кранами крышевым оборудованием (рис. 8). Изношенные и отказавшие детали заменяются. Тележки меняются целиком. Время замены колесной пары составляет 10 мин.
Каждые 4 тыс. км (по другим сведениям — 2 тыс. км) проводят проверку технического состояния поезда и его ходовой части в депо в течение одного часа, для чего одновременно проводят все виды ТОиР, инспекцию, заправку песком и уборку, включая санузлы. Специалисты депо проводят параллельные перемещения материалов к зонам обслуживания. Дополнительно используются мобильные испытательные станции. Следующие виды ТОиР занимают 4 и 8 ч, в исключительных случаях — 12 ч. Каждые 20 тыс. км проверяются устройства безопасности. Каждые 6 лет производится полная диагностика поезда.
Подъемочный ремонт с ревизией осуществляется в течение двух недель каждые 1,2 млн км при среднем годовом пробеге 0,5 млн км на ремонтном заводе в Мюнхене. В депо есть вспомогательные цеха (мастерские) для электроники и вычислительной техники, силовой электроники привода, кузовного оборудования и оборудования салонов, сантехники, экипажной части, кухонного оборудования и др.
Анализ опыта обслуживания поездов во Франции и Англии показал отсутствие принципиальных отличий. Доминирующей является планово-предупредительная система ТОиР с крупноагрегатным принципом ремонта, включая поезда, курсирующие под Ла-Маншем. Например, в депо Ланди-Плеель под Парижем имеются 6 поднятых путей для обслуживания поездов перед отправлением, моечная установка, два пути для капитального ремонта, станок для обточки колесных пар. Основной ремонтный цех оборудован тремя мостовыми кранами грузоподъемностью 30 т для замены тяжелых узлов.

Г России для обслуживания высокоскоростных электропоездов D«Сапсан» оборудовано депо Металлострой (рис. 9), созданное как электродепо в 2000 г. и переданное в 2021 г. Дирекции скоростного сообщения ОАО «РЖД» под техническое обслуживание поездов «Ласточка» и «Сапсан». Первоначально в депо также обслуживались электропоезда ЭР200 и опытный «Сокол». Депо Металлострой расположено в 20 км от Московского вокзала. Поезда после захода в депо моются и поступают в ремонтные цеха. Ремонт выполняется по планово-предупредительной системе ТОиР аналогично электропоездам ICE.
Процесс ТОиР автоматизирован: вся информация хранится в АСУ. Исходная информация об отказах и предотказных состояниях вводится в АСУ ТОиР вручную по данным бортовой диагностики. Имеется электронный бортовой журнал замечаний машиниста (аналог формы ТУ-152), но он не используется. Первоначально учет устранения отказов планировалось выполнять в системе Common railway maintenance management platform (CORMAP), но на время разработки Институтом отечественного аналога АСУ управления технологическими процессами контроль выполнения технологических процессов пока ведется вручную в бумажных журналах формы ТУ-28 в таблицах MS Excel.
Мировой тренд — развитие бортовых систем технического диагностирования на базе микропроцессорных систем и современных датчиков, в том числе с передачей данных о техническом состоянии поезда в диспетчерский центр планирования ТОиР. Следует отметить, что бортовая диагностика дополняет плановые ТОиР, а не заменяет их, позволяет сократить время работ. Однако следует сразу оговориться, что увеличение числа датчиков, кроме пользы, имеет и недостатки: датчики цепей управления, электронные блоки также могут ломаться, требуют ТОиР. Имеется отрицательный опыт снижения надежности электропоезда ICE в целом из-за отказов многочисленных датчиков. Кроме того, растет стоимость подвижного состава. Необходимо находить компромисс между знаниями и надежностью.
Несмотря на необходимость решения целого ряда проблем, диспетчеризация ТОиР по данным бортовой диагностики активно развивается. Долгое время лидером было тепловозостроительное подразделение General Electric, контролировавшее из города Эри (США) работу более 15 тыс. локомотивов по всему миру
пературы выполняется посредством измерения температурных параметров терморезистивными датчиками температуры типа Ptl 00.


Контролировать температуру буксовых подшипников в электропоездах с конструкционной скоростью свыше 200 км/ч требует национальный стандарт РФ, ГОСТ Р 55434-2013 «Электропоезда. Общие технические требования» как наиболее критичные по безопасности движения. Перегрев буксовых подшипников может привести к крушению поезда. В каждом буксовом узле устанавливаются два датчика температуры, обсчитываемые независимыми устройствами обработки сигналов.

МСУ электропоезда проводит контроль и сравнение температуры узлов в пределах одного вагона и всего поезда с заданными предельными величинами и при фиксации отклонений формирует диагностические сообщения, которые в соответствии с установленным приоритетом поступают локомотивной бригаде и сервисному персоналу. Превышение предельных величин температур буксовых подшипников приводит к активации принудительного торможения через разрыв петли контроля тележки, которая, в свою очередь, через блок управления тормозами осуществляет воздействие на контур петли экстренного торможения.
Своевременное реагирование локомотивной бригады и сервисного персонала на диагностические сообщения позволяет принять меры до наступления предельного состояния и не допустить опасного события.
В сентябре 2022 г. компания Alstom презентовала новый поезд TGV серии Avelia Horison новейшего, пятого поколения: двухэтажный 7- или 9-вагонный высокоскоростной электропоезд (350 км/ч). Фактически это не электропоезд, так как тяга осуществляется головным и хвостовым вагонами-локомотивами (рис. 10).
Стоимость жизненного цикла на одного пассажира снижена на 20 %. Поезд изначально разрабатывался в расчете на техническое обслуживание по фактическому состоянию, поэтому он оснащен многочисленными датчиками, встроенными в бортовое оборудование, которые предоставляют данные о его техническом состоянии и режиме работы в реальном масштабе времени. Информацию о техническом состоянии поездов предполагается передавать каждые 5 с, при этом суммарный объем данных по каждому поезду будет достигать 15 Гбайт в день. Можно предположить, что планово-предупредительная система ТОиР этого поезда все-таки предусмотрена, а бортовая система диагностики позволяет устранять отказы на этапе их предотказного состояния.

Таким образом, при создании высокоскоростных магистралей отдельным направлением работ является создание системы технического обслуживания и ремонта с использованием оперативных данных бортовых микропроцессорных систем диагностирования.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК