Admin

Современный высокоскоростной подвижной состав

Е.А. ЧЕКМАРЕВ, заместитель начальника отдела скоростного и высокоскоростного моторвагонного подвижного состава Проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства — филиала ОАО «РЖД»

Данная статья посвящена международному обзору как действующего высокоскоростного железнодорожного движения, так и путей его развития в будущем.

В современном мире скорость передвижения играет большую роль в развитии как бизнеса, так и государства в целом, так как позволяет «сближать» между собой города, регионы и даже страны.
Для начала определим, что под высокоскоростным электро-подвижным составом понимается электропоезд с конструкционной скоростью свыше 200 км/ч и эксплуатация которого осуществляется на междугородних маршрутах с длиной участка обращения от 200 до 700 км [1]. Наличие высокоскоростного движения указывает на высокий уровень экономики в стране благодаря укреплению экономических связей регионов, а также развитию новых туристических направлений.
В настоящее время по всему миру введено в эксплуатацию свыше 60 тыс. километров высокоскоростных железнодорожных магистралей (далее — ВСМ). ВСМ бывают рельсовыми, а также управляемыми силой электромагнитного поля.
Начнем обзор с перспективы развития подвижного состава ВСМ, а именно, рассмотрим три основные технологии магнитного подвеса: электромагнитная, электродинамическая и на постоянных магнитах (рис. 1).
Электромагнитный подвес использует для левитации поле, возникающее от электромагнитов. «Рельс» для такой системы представляет собой выполненную из проводящего материала (чаще всего металла) Т-образную балку, на которой закреплены ферромагнитные статоры (неподвижные детали, которые выполнены из материала, сохраняющего магнитные свойства в отсутствие внешнего магнитного поля). На составе же находится система опорных и направляющих электромагнитов. В движение он приводится электродвигателем переменного тока. Тяга и скорость состава регулируются путем изменения силы и частоты переменного тока.
Такая технология лежит в основе немецкой системы Transrapid (рис. 2) [2], также реализованной в Китае. На участке от города Шанхай до аэропорта Пудун поезд на магнитной подушке развивает максимальную эксплуатационную скорость 430 км/ч и поддерживает ее на протяжении нескольких минут, позволяя преодолеть участок пути в 30 км всего за 10 мин [3].


При использовании электродинамической технологии во время движения поезда возникает индуцированный ток, который генерирует магнитное поле. Состав левитирует за счет отталкивания магнитных полей железнодорожного пути и самого поезда. Сила отталкивания поднимает его в воздух на высоту до 10 см. Одно из преимуществ электродинамической подвески — в том, что когда расстояние между поездом и полотном дороги сокращается, отталкивание становится сильнее, что обеспечивает автоматическую левитацию состава.
Однако при небольшой скорости движения магнитные поля недостаточно сильны для того, чтобы удерживать состав в подвешенном состоянии. Поэтому поезд должен иметь колеса или другой тип шасси. Электродинамическая подвеска имеет большее преимущество для высокоскоростного движения.
Однако скорость в 430 км/ч это не предел. В 2015 г. японский подвижной состав JR-Magiev во время испытаний установил абсолютный рекорд скорости для железнодорожного транспорта — 603 км/ч.

Данную скорость JR-Maglev развил на испытательном полигоне, расположенном в близи г. Кофу. Длина полигона составляет 18,6 км, 16 из которых расположены в тоннеле.
JR-Maglev использует электродинамическую подвеску на сверхпроводящих магнитах, установленных как на поезде, так и на трассе. В отличие от немецкой системы JR-Maglev не использует схему монорельса: поезда движутся в канале между магнитами (рис. 3). Внутри канала расположено ровное пространство для движения с помощью колес при низких скоростях. Такая схема позволяет развивать большие скорости, обеспечивает простоту и большую безопасность пассажиров в случае эвакуации.
Технология магнитного подвеса на постоянных магнитах — это новая и потенциально самая экономичная система. Диамагнетики — вещества, намагничивающиеся навстречу направлению действующего на них внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики не имеют магнитного момента. Преимуществами данной технологии является то, что поезд может «парить» над полотном устойчиво и при движении с низкой скоростью, и во время остановки, поскольку используются постоянные магниты. Серьезной проблемой проектирования является большой вес достаточно мощных магнитов, поскольку требуется сильное магнитное поле для поддержания в воздухе массивного состава [4].


Данные технологии позволяют развивать высокие скорости, при этом уровень шума от движения поезда будет на низком уровне. К недостаткам относится высокая стоимость создания инфраструктуры и ее обслуживания. Используя данную технологию, фиксируется повышенный расход электроэнергии. Все это, включая продолжающееся изучение влияния магнитов на состояние человека, не позволяет данной технологии получить широкое распространение.
Рассмотрим теперь особенности железнодорожного подвижного состава, использующего железнодорожную колею. Главным внешним отличием высокоскоростного подвижного состава от скоростного или пригородного является детальная проработка аэродинамической формы кузова. Она заключается в создании обтекаемой формы, не допускающей завихрений воздуха между крышевом и подвагонным оборудованием. Данная конструктивная особенность связана с необходимостью в уменьшении лобового сопротивления во время движения и перепада давления в салоне при въезде в тоннель (рис. 4). Таким образом, крышевое оборудование располагается внутри кузова вагона, а подвагонное оборудование, включая тележки, закрыты по бокам специальными фальшбортами.
Для создания комфортных условий пребывания в высокоскоростных поездах характерно использование системы наклона кузова в кривых участках пути. Данная система позволяет регулировать положение кузова с помощью сил инерции (пассивный наклон) или с помощью компьютера (активный наклон), таким образом, компенсируя возникающие центробежные силы.


При этом основным фактором, который направляет конструкторов высокоскоростного подвижного состава в сторону разработки магнитного подвеса, является проблема физико-механических свойств в системе «колесо-рельс». В настоящей статье на проблемах указанной системы останавливаться не будем, рекомендуем по данной теме обратить внимание на статью «Факторы износа в системе "колесо-рельс": проблемы и решения» за авторством президента Ассоциации «Объединение производителей железнодорожной техники» В.А. Гапоновича [5].
Самой протяженной сетью высокоскоростных железных дорог в мире, около 40 тыс. км, обладает Китайская Народная Республика. Наибольшая скорость в эксплуатации составляет 350 км/ч. Железнодорожная система Китая перевозит около 3,5 млрд пассажиров в год, почти 70 % из них на высокоскоростных поездах. К 2035 г. планируется увеличить протяженность ВСМ до 70 тыс. км. На рис. 5. представлен китайский высокоскоростной поезд CRH380A.
Япония является страной, в которой появилась первая в мире ВСМ и четвертой в мире по ее протяженности. В 1964 г. на участке между городами Токио и Осака было запущено движение, приуроченное к началу летних Олимпийских игр. Высокоскоростная сеть железных дорог в Японии получила название «Синкансэн». Первоначально линии «Синкансэн» были предназначены для круглосуточных пассажирских и грузовых перевозок. В настоящее время она обслуживает только пассажиров, при этом с 00:00 до 06:00 ч утра линии закрываются для технического обслуживания.
Самым современным является электропоезд серии N700. Его отличительными особенностями являются то, что он ускоряется до разрешенной скорости в 300 км/ч быстрее остальных типов «Синкансэн», а также система наклона кузова, позволяющая сохранять скорость 285 км/ч в кривых радиусом до 3000 м (рис. 6).
Помимо Китая и Японии, в Восточной Азии ВСМ развиты и в Южной Корее. В настоящее время протяженность ВСМ здесь составляет 1104,5 км. В стадии строительства и модернизации находится еще 425 км железнодорожных путей. В данной стране используются электропоезда KTX-Sancheon, считающиеся первым отечественным высокоскоростным электропоездом, спроектированным и разработанным в Южной Корее. Электропоезд KTX-Sancheon разработан на основе ранее эксплуатировавшихся электропоездов KTX-I, которые были созданы по французской технологии на основе электропоездовTGV Reseau.
В ноябре 2018 г. была открыта первая и пока единственная ВСМ на Африканском континенте в Марокко. ВСМ Al-Buraq расположена на участке протяженностью 183 км и связывает между собой города Касабланку и Танжер. На данном участке обращения используются двухэтажные электропоезда Euroduplex производства компании Alstom (рис. 7).
Лидерами по протяженности линий ВСМ в Европе являются такие страны, как Франция (используются электропоезда TGV и AGV производства Alstom, с использованием отдельных узлов фирмы Bombardier), Италия (электропоезда серии Pendolino, производимые компанией Alstom), Германия (электропоезда Intercity-Express производства Siemens AG) и Испания (используются электропоезда AVE100, построенные на 6a3eTGV Atlantique фирмы Alstom, электропоезда AVE102, созданные испанской фирмой Talgo, а также электропоезда AVE103 немецкой фирмы Siemens AG из семейства Vela го). Протяженность линий составляет порядка 3,5 — 4 тыс. км у каждой из стран. Максимальная разрешенная скорость для движения составляет от 300 до 330 км/ч.
В Российской Федерации проектирование высокоскоростного движения началось в 1993 г. На то время самым быстрым, находившимся в эксплуатации, считался электропоезд ЭР200 производства Рижского вагоностроительного завода, который конструктивно был рассчитан на скорость до 200 км/ч. В 1997 — 1998 гг. начались работы по созданию опытного образца электропоезда с конструкционной скоростью до 250 км/ч. Контрольные испытания электропоезда, получившего название «Сокол», состоялись в 2002 г., но комиссия вынесла вердикт о непригодности к эксплуатации из-за несоответствия требованиям технического задания.
Действующая ВСМ в России появилось 17.12.2009 г. на маршруте Москва — Санкт-Петербург. В этот день началось регулярное движение электропоездов, которое осуществляется по настоящее время. В связи с этим знаменательным событием ежегодно в России отмечается День высоких скоростей.
Для российских условий эксплуатации был спроектирован электропоезд «Сапсан». В его основе лежит платформа Velaro немецкого концерна Siemens AG, которая, в свою очередь, является усовершенствованным вариантом высокоскоростного электропоезда ICE 3. Измененная платформа электропоезда получила название Velaro RUS и включила в себя немало доработок конструкции.



Во-первых, пришлось увеличить габариты электропоезда в связи с большей шириной колеи (1520 мм) по сравнению с немецкой (1435 мм). Тем самым салон электропоезда стал шире стандартного почти на 30 см, что повлекло за собой изменение также системы вентиляции. Повышенные требования к «Сапсану» были предъявлены из-за необходимости эксплуатации при температурах воздуха от минус 40 °C до плюс 40 °C. Для выполнения задач в морозное время года были разработаны специальные элементы крепления, уплотнителей и пластиковых деталей, а также организована система охлаждения элементов тягового привода с забором воздуха с помощью воздушных каналов крыши.
На головных вагонах электропоездов были размещены авто-сцепные устройства СА-3 для возможности сцепления с любым локомотивом. Электрическая система электропоезда «Сапсан» позволяет продолжить движение даже при выходе из строя одной из ее частей. Снижение энергозатрат достигается путем использования системы рекуперативного торможения.
Электропоезда могут эксплуатироваться в двух вариантах: 10-вагонном и при соединении двух единиц подвижного состава — 20-вагонном. «Сапсан» стал передовым российским поездом, позволяющим отработать на себе конструкционные нюансы для эксплуатации в российских условиях [б]. В настоящее время ведется работа по созданию новой высокоскоростной магистрали между Москвой и Санкт-Петербургом. Планируется построить отдельную инфраструктуру под высокоскоростные поезда отечественного производства уже к 2027 г. К данному моменту, распоряжением ОАО «РЖД» от 09.12.2020 № 1821 утверждено Техническое задание на разработку отечественного высокоскоростного электропоезда для ВСМ.

Выделенные для ВСМ железнодорожные пути позволят пропускать высокоскоростные электропоезда без задержек остальных пассажирских и грузовых поездов. При построении инфраструктуры под ВСМ предъявляются специальные требования для конструкции земляного полотна, верхнего строения пути, контактной сети, искусственных сооружений, систем железнодорожной автоматики и телемеханики. Для поддержания высоких скоростей железнодорожный путь должен быть максимально спрямлен, минимизировано количество стрелочных переводов, а также на всем его протяжении должна быть выстроена защита от попадания на железнодорожный путь людей и животных.
Подводя итоги сказанному, стоит отметить, что в настоящее время технологии развиваются очень быстро. За несколько десятилетий организация движения железнодорожного транспорта вышла на принципиально иной уровень. Проекты, которым уделяют внимание средства массовой информации, ориентированы на организацию движения с еще большей скоростью. Рассматриваются технологии магнитной левитации как основного направления развития высокоскоростного движения, позволяющего уйти от применения системы «колесо-рельс», которая имеет ряд ограничений, в том числе и по скоростным параметрам из соображений безопасности. В связи с этим предсказать, как будет выглядеть ВСМ через 30 лет, очень сложно. Но одно можно сказать точно: потребность в перевозке людей и грузов будет актуальна всегда, а поэтому и развитие технологий не будет стоять на месте.

Библиография

1. ГОСТ Р 55434-2013 «Электропоезда. Общие технические требования».
2. Сайт https://2051 .vision/2021 /08/10/maglev/.
3. Сайт АО «Скоростные магистрали». Раздел «ВСМ в Китае», — URL: http://www. hsrail.ru/press-center/news/vsmm/china/.
4. Сайт https://studfile.net/preview/3563000/page:2/.
5. Сайт https://opzt.ru/news/faktory-iznosa-v-sisteme-koleso-rels-problemy-i-reshenija/.
6. Сайт газеты «Гудок». Десять технологических секретов «Сапсана», факты, которые неизвестны рядовым железнодорожникам, https://gudok.ru/content/mechengin eering/1579654/?sphrase=0.