[Статья] Электропоезда серий 4023/4024 для Федеральных железных дорог Австрии
 

Электропоезда серий 4023/4024 для Федеральных железных дорог Австрии

В результате сокращения средств, выделяемых на развитие пассажирских пригородных перевозок, с одной стороны, и повышения требований к их безопасности, с другой, на выпуск нового моторвагонного подвижного состава все большее влияние оказывает ценовой прессинг. В то же время компании-перевозчики и пассажиры ожидают от нового подвижного состава повышения комфортности, в значительной мере определяемой наличием тамбуров с пониженным уровнем пола и установок кондиционирования воздуха в пассажирских салонах. В связи с этим разработчики должны стремиться к обеспечению оптимальных технических характеристик новых моторвагонных поездов с одновременным снижением затрат на их разработку и изготовление. Эту задачу позволяет решить модульный принцип конструирования, реализованный, в частности, в поездах семейства Talent. Для Федеральных железных дорог Австрии (ОВВ) разработаны электропоезда этого семейства, получившие серийные обозначения 4023 и 4024.

Применение модульной конструкции в поездах семейства Talent позволило консорциуму в составе Bombardier Transportation и ELIN EBG Traction, разработавшему их, быстро отреагировать на такое изменение условий. Благодаря этому в 2001 г. консорциум получил заказ на поставку 11 трехвагонных электропоездов для регионального сообщения и 40 четырехвагонных для городских железных дорог серий 4023 и 4024 (рис. 1).


Основываясь на опыте поставок дизель-поездов Talent, получивших широкое распространение в Европе, консорциум разработал концепцию подвижного состава, который во многом оправдывает ожидания как компаний-перевозчиков, так и пассажиров относительно следующих моментов:

• оптимального соотношения цены и мощности;

• безопасности;

• комфортности.

Оптимизация соотношения цены и мощности

Требования

Закупочная цена является существенной составной частью в общем спектре затрат и в значительной мере определяется конструкцией тягового привода и расходами на изготовление подвижного состава. Система привода электропоездов Talent была разработана с учетом требований технических условий ОВВ, характера эксплуатации и результатов исследования динамики движения. Ниже приводятся основные требования, послужившие базой для разработки.

К требованиям, содержащимся в технических условиях, относятся:

• обеспечение соответствия заданным величинам параметров динамики движения поезда на опытных участках;
• соответствие заданным значениям тепловых параметров, полученных на опытных участках;

• обеспечение энергопотребления в соответствии с выполненными тяговыми расчетами.

Режимом эксплуатации определяются следующие требования:

• новый подвижной состав должен соответствовать требованиям, предъявляемым к поездам регионального сообщения. Для учета этого требования среднее расстояние между остановками при расчетах принималось равным 2500 и 4500 м, а средняя маршрутная скорость движения— 60 км/ч при высокой максимальной скорости;

• региональные поезда должны быть совместимы со сложившейся системой городских железнодорожных сообщений. Здесь следует исходить из среднего расстояния между остановками, равного 1300 м, и средней маршрутной скорости 40 км/ч при хороших характеристиках ускорения.


Выбор системы тяги с помощью анализа экономической эффективности, основанного на исследованиях динамических характеристик, включает в себя:

• принятие решения о числе приводных агрегатов (один или два);

• выбор числа ведущих колесных пар (четыре или восемь).

Оптимизация новых электропоездов проводилась на основе учета следующих факторов:

• упоминавшихся ранее требований заказчика;

• стремления к гармоничному включению поездов в семейство Talent;

• приемлемой для заказчика стоимости.

Прежде всего, необходимо было исследовать возможность удовлетворения всех требований заказчика при оснащении поезда только одним тяговым блоком, воздействующим на четыре колесные пары. Альтернативный вариант предусматривал использование поездов с двумя тяговыми агрегатами и восемью моторными осями.

Одним из путей исследования проблемы был метод, основанный на использовании идеализированной кривой движения поезда. На рис. 2 представлена кривая движения, состоящая из трех фаз: ускорения, торможения и остановки. Это исследование проводилось для движения поезда по прямолинейному участку на площадке с полной нагрузкой и максимальной скоростью 140 км/ч. Время остановки составляло 30 с, а коэффициент замедления при торможения принимался постоянным.

На основе этих кривых были проанализированы различные возможные конструкции тягового привода для электропоездов Talent и их влияние на время хода при указанном режиме движения (рис. 3).

Если сравнить сокращение времени хода, которое получается за счет одного только повышения мощности, с сокращением времени за счет повышения ускорения при разгоне, то можно видеть, что повышение мощности на 40 % в лучшем случае дает относительный выигрыш во времени, равный 2,8 %, для чего необходим дополнительный расход энергии до 20 %.

Если к тому же уменьшить принятую величину скорости движения 140 км/ч до значений, характерных для городских железных дорог, то выигрыш во времени, получаемый за счет повышения мощности, станет еще меньше. Это связано с тем, что фазы тягового режима и, следовательно, фазы разгона становятся доминирующими, а фазы торможения в обоих вариантах остаются неизменными.

Из рис. 4 отчетливо видно, что повышение силы тяги при трога-нии с места и улучшение за счет этого разгона с относительным выигрышем во времени до 5 % при расстояниях между остановками менее 1 км оказывают стабильное влияние на сокращение времени хода.


Техническая реализация

Выбор системы тягового привода для электропоездов серий 4023 и 4024. С учетом опыта предыдущих конструкций для электропоездов Talent была выбрана система привода с одним тяговым агрегатом модульного типа и четырьмя ведущими осями.

Выбранный принцип удовлетворяет требованиям, распространяющимся как на поезда регионального сообщения, так и поезда городских железных дорог при сохранении оптимального соотношения между ценой и мощностью. Применительно к системе привода это означает следующее:

• для тягового двигателя и преобразователя тепловые характеристики рассчитаны на предельные режимы движения, причем в соответствии с условиями конкурса остается 10 %-ный резерв, т. е. максимальная температура узлов при периодически повторяющихся предельных режимах движения достигает 90 % своего максимально допустимого значения;

• для тягового трансформатора тепловые характеристики рассчитывали исходя из режима движения регионального поезда на основе типового опытного участка с максимальной скоростью движения 140 км/ч. Здесь также предусмотрен резерв по нагреву, равный 10 %.

Выбранный вариант исполнения является оптимальным для поездов городских железных дорог и региональных. Особо благоприятные условия в этом случае создаются для работы тягового трансформатора.

На линиях городской железной дороги Вены из-за уменьшения максимальной скорости поездов образуется тепловой резерв во всей системе привода, который используется для ведения поезда с применением методики, получившей название WarpDrive.

Как показано на рис. 4, при коротких расстояниях между остановками повышение силы тяги при трогании является гораздо более эффективным средством для сокращения времени движения, чем повышение мощности тягового привода.

Пока все компоненты тягового тракта имеют достаточный резерв по нагреву, в распоряжении машиниста имеются значительные возможности повышения силы тяги и соответственно ускорения при разгоне. Функция WarpDrive (с ускоренным разгоном) является основным средством сокращения времени хода поездов городской железной дороги Вены. Это отражено и в требованиях к режимам движения в сети городской железной дороги, учитывающих наличие таких резервов по нагреву в системе тягового привода, которые даже при максимальной температуре окружающего воздуха могут обеспечивать в течение длительного времени использование ускоренного разгона поездов за счет повышения силы тяги.

Концепция изготовления. Важным ценообразующим фактором для нового подвижного состава являются производственные расходы, рассчитываемые с учетом сокращения затрат времени на его изготовление. Для того чтобы затраты не превысили выделенных инвестиций, разработчики должны ориентироваться на использование как уже испытанных концепций и технологий, так и новых. При этом предполагается тесное сотрудничество изготовителя с поставщиками комплектующих изделий и с предприятиями, образующими техническую базу компаний, которые будут эксплуатировать новый подвижной состав, в частности депо и мастерскими ОВВ.

Так, модульная концепция, которая успешно использовалась для дизель-поездов Talent, была в несколько измененном виде применена для нового электропоезда и оптимизирована на двух опытных образцах.

При такой конструкции с минимальным числом стыковок электрических и механических частей (технология Plug & Play) значительная часть работ по предварительной сборке и испытанию производится поставщиками комплектующих узлов, так что при окончательном монтаже остается в основном скомплектовать изделие из предварительно собранных и испытанных компонентов.

В качестве примера можно привести следующие узлы: • лобовая часть концевого вагона, которая поставляется в виде предварительно собранного узла, уже включающего в себя такие важные составные части, как кабельная проводка, освещение, стекло-очистительная установка и т. д. При сборке она соединяется с кузовом вагона;
• высоковольтный модуль, представляющий собой предварительно собранный и испытанный узел, который встраивается в крышу вместе с установленным на нем пневматическим оборудованием. Его функция заключается в установлении связи между узлом преобразования энергии (тяговым агрегатом Power Pack) и контактной сетью;

• модуль кабельных каналов и воздуховодов системы кондиционирования служит для размещения предварительно смонтированных кабельных жгутов и распределения воздуха, подаваемого системой кондиционирования;

• агрегат Power Pack включает в себя два тяговых преобразователя, каждый из которых состоит из четырехквадрантного регулятора, интегрированного промежуточного звена и трехфазного инвертора. Кроме преобразователей в нем имеется система охлаждения и тяговый трансформатор. Через этот агрегат вся энергия, отбираемая из сети, передается к тяговым двигателям и для питания вспомогательных потребителей.

В качестве примера предварительных испытаний отдельных компонентов можно назвать испытание системы тягового привода, которое выполняется в рамках проверки всей электрической части тягового тракта на стенде. Для этого все составляющие системы задолго до монтажа первого опытного образца подвижного состава испытываются как по электрическим, так и по эксплуатационным (текущее содержание и монтаж) параметрам на соответствие техническим условиям;

• модуль бортовой электроники рассчитан с резервом на мощность 80 кВ-А. Два четырехквадрантных регулятора, которые подключены параллельно обмотке главного трансформатора, предназначенной для питания вспомогательных устройств, формируют в промежуточной цепи напряжение 650 В постоянного тока, которое питает два трехфазных инвертора. Один из них, мощностью 80 кВ-А, имеет на выходе фиксированное напряжение 400 В частотой 50 Гц. Второй мощностью 30 кВ-А, питает потребителей напряжением трехфазного тока, регулируемым от 0 до 400 В. Его частота также регулируется от 0 до 50 Гц. Кроме инверторов, к этой обмотке подключен зарядный агрегат мощностью 11 кВт с напряжением на выходе 110 В постоянного тока. Современная преобразовательная техника на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), работающая с высокой тактовой частотой, позволяет реализовать схемы большой мощности при небольшой массе и минимальных габаритных размерах. В систему входят также устройства распределения энергии и контроля изоляции.

Моторные тележки располагаются под кабинами машиниста обоих концевых вагонов. На них установлены тяговые двигатели, которые вместе с редукторами и другими элементами системы передачи образуют систему частично подрессоренного поперечного тягового привода. В его конструкции особый интерес представляет передача крутящего момента от полого вала привода на ведущую колесную пару через так называемую пакетную клиновую муфту. Тяговые двигатели каждой тележки включены параллельно, получая, таким образом, питание от общего преобразователя по системе группового привода.

Затраты на приобретение являются лишь частью затрат жизненного цикла подвижного состава. Другими существенными составляющими этих затрат являются расходы:

• на текущее содержание;

• энергию;

• обеспечение эксплуатационной готовности и надежности.

Модульная конструкция подвижного состава не только позволяет существенно сократить расходы на изготовление, но также способствует сокращению расходов на текущее содержание. Четкие и сведенные к минимуму места стыкования модулей, а также тщательная диагностика с централизованным отображением результатов являются дополнительными факторами, способствующими снижению этих расходов.

Значительная роль в этом принадлежит системе управления подвижным составом ELTAS (Elin Traktions Automatisierungs System), которая во взаимодействии с устройствами управления всех подсистем обеспечивает широкие возможности оптимального управления, регулирования и технической диагностики.

К мерам, направленным на снижение расхода энергии, можно отнести использование современных преобразователей на транзисторах IGBT, которые обладают минимальными потерями и обеспечивают минимизацию потерь в подключенных к ним агрегатах. Рекуперация энергии торможения в соответствии с современным уровнем развития техники является еще одной мерой по снижению расхода энергии.

К дальнейшему снижению потребления энергии ведет снижение массы тары моторного вагона. Значительное снижение ее достигается при изготовлении за счет использования новых технологий и современных композиционных материалов, которые к тому же значительно повышают износостойкость узлов и деталей.

Безопасность

Основные требования

За последние десять лет требования пассажиров к безопасности подвижного состава сильно возросли. Это относится как к технической надежности поездов и вагонов, так и к индивидуальному ощущению безопасности пассажира, которое в значительной мере определяется внутренней планировкой салонов и их оборудованием. Этим

вопросам уделялось внимание уже при объявлении тендера на разработку поезда. Одним из обязательных условий было обеспечение соответствия последним требованиям безопасности всех компонентов оборудования.

В ходе подготовки заказа спектр требований по безопасности был еще больше расширен. В результате этого появилось требование о том, что для получения допуска к эксплуатации моторвагонных поездов необходимо предоставлять заключение независимой экспертизы о пожарной безопасности.

Техническая реализация требований по безопасности

Наряду с традиционно высокими требованиями к железнодорожному подвижному составу с точки зрения безопасности на моторвагонных поездах серий 4023 и 4024 необходимо выделить дополнительно принятые меры по пожарной безопасности и наружному контролю.

Избранные для этого технические решения отражаются в конструкции элементов, а также в оборудовании кабин машиниста и пассажирских салонов. Выбор соответствующих технических решений для достижения высокой противопожарной безопасности проводился в сотрудничестве с федеральным министерством транспорта и новых технологий Австрии, выполняющим функции допуска подвижного состава к эксплуатации, экспертным учреждением в лице Технического университета Вены, заказчиком (ОВВ) и изготовителем. При этом наивысший приоритет отводился обеспечению безопасности людей, в связи с чем была проведена тщательная проверка поездов в отношении предупреждения, своевременного обнаружения и предотвращения распространения возгораний. Кроме того, была разработана концепция, согласно которой соответствующие элементы оборудования подвижного состава были выполнены из трудновоспламеняющихся и самогасящихся материалов, препятствующих возникновению пожара. Источники повышенной пожароопасности вынесены за пределы внутренних помещений вагонов. Так кабели, передающие высокую мощность, были по возможности проложены вне кузова вагона, а электрические коммутационные и распределительные устройства защищены соответствующими металлическими кожухами (рис. 5).

Кроме того, на случай возникновения пожара предусмотрены следующие меры:

• в моторвагонных поездах имеются устройства пожарной сигнализации, которые с помощью дифференциальных сигнализаторов дыма и датчиков температуры оценивают параметры воздушных потоков в пассажирском салоне и уровни температуры в различных частях тягового агрегата, своевременно определяя наличие очага возгорания;

• в случае возникновения пожара машинист поезда с помощью соответствующей кнопки на пульте управления может включить аварийную сигнализацию и устройства защиты;

• за счет сохранения в течение 15 мин тяговых и тормозных функций может быть реализован режим движения в случае пожара. Это позволяет привести поезд к месту, пригодному для эвакуации пассажиров;

• с помощью специальных изолирующих дверей в межвагонных переходах пассажиры могут быть защищены от распространения дыма.

Планировка вагонов обеспечивает хорошую обозреваемость пассажирских салонов, что также способствует повышению уровня безопасности пассажиров.

В других помещениях вагона, доступных для пассажиров, также предусмотрены соответствующие меры безопасности. Так, в случае пожара пассажир с помощью кнопок аварийного вызова может связаться с машинистом поезда или диспетчером.

Система информирования пассажиров позволяет, кроме того, в случаях возникновения опасности передавать информацию с целью оказания помощи пассажирам в создавшейся ситуации.

Кроме противопожарных мер, большое внимание уделяется также обеспечению безопасности при ведении поезда в одно лицо. Так, процесс отправления поезда контролируется с помощью видеоустановки. Ее монитор с диагональю 38 см обеспечивает машинисту возможность контролировать по всей длине поезда зазор между боковой поверхностью вагонов и краем платформы.

Уровень комфорта

Требования

Наряду с безопасностью большое значение для пассажиров имеет уровень комфорта. При этом играют роль такие факторы, как внешний вид и внутренний дизайн поезда, ощущение пассажирами комфортности поездки, а также информационное обеспечение во время хода поезда.

Техническая реализация

Высоким требованиям пассажиров, желающих пользоваться подвижным составом, соответствующим самому современному уровню техники, отвечает как внешний, так и внутренний дизайн новых электропоездов. Здесь следует отметить специфический дизайн лобовой части моторвагонных поездов Talent, которая благодаря своему современному оформлению в течение ближайших десятилетий будет полностью соответствовать представлениям о современном транспортном средстве.


Внутреннее оформление просторных и светлых пассажирских салонов было разработано дизайнерами ОВВ и компании ARGE. При этом особое значение придавалось обозреваемости внутренних помещений, обеспечивающей быстрое и равномерное распределение пассажиров в поезде, и удобству восприятия ими информации о поездке.

Каждый вагон оборудован крышевым модулем системы кондиционирования воздуха в пассажирских салонах. Установки кондиционирования обеспечивают микроклимат в вагонах в соответствии с рекомендациями документа МСЖД 553.

Конструкция тележек вагонов также способствует повышению уровня комфорта. Хорошие динамические характеристики достигнуты за счет последовательной доработки тележек дизель-поездов семейства Talent.

Основное внимание при этом уделялось оптимизации размещения моторно-редукторного блока в тележке, которая разрабатывалась в сотрудничестве с компанией RWTH (Ахен) на основе глубокого исследования крутильных колебаний в элементах ее конструкции. Оптимизированная конструкция тележки обеспечивает высокую плавность хода.

Число мест для сидения, равное 150 при трехвагонном исполнении и 200 при четырехвагонном, при необходимости может быть увеличено за счет соединения базовых секций в один состав, управляемый по системе многих единиц. Кроме того, в новых поездах имеется возможность перевозить велосипеды в отделении многоцелевого назначения.
Быстрая и удобная посадка и высадка пассажиров, в том числе и инвалидов на колясках, достигается благодаря пониженному уровню пола в тамбурах.

Выводы

С лета 2003 г. два опытных трех-вагонных поезда серии 4023 находились на городской железной дороге Вены Wiener Linien, где проводились испытательные поездки. Новый подвижной состав вызвал большой интерес как у пассажиров, так и у транспортных компаний. Это нашло свое отражение в том, что ОВВ заключили контракт на поставку дополнительной партии из 60 четырехвагонных поездов, а компания Wiener Linien приняла решение о замене таким подвижным составом эксплуатировавшихся до сих пор поездов серии 4020.
Большой интерес к поездам этого типа был проявлен и в регионе Зальцбурга, где пассажирские перевозки стали осуществляться трехвагонными электропоездами регионального сообщения. Планировалось также использование новых поездов в международном сообщении между Австрией и Германией.

Достигнутый успех говорит о том, что концепция новых поездов, разработанная ОВВ и консорциумом ELIN — Bombardier, полностью оправдала ожидания заказчиков. В ближайшей перспективе предусмотрено расширение этого семейства электропоездов за счет создания двухсистемно-го варианта. Такие поезда будут использоваться для сообщения с Венгрией, Чешской Республикой и Словакией.



Статья из журнала "Железные дороги мира"