2.7. Подвижной состав и особенности тяговых расчетов на высокоскоростных магистралях

Высокоскоростные магистрали: опыт и перспективы. Как указано в п. 1.4 учебника, СНиП 32-01-95 и Строительно-технические нормы СТН Ц- 01-95 предусматривают максимальные скорости движения пассажирских поездов 160 км/ч на линиях I и II категорий и 200 км/ч на скоростных ма­гистралях. На железных дорогах России такие скорости движения в на­стоящее время достигнуты на линии Москва — Санкт-Петербург (скорост­ные поезда "Аврора", ЭР200, "Невский экспресс").

В 60-х — 70-х гг. XX в. на железнодорожном транспорте ряда стран Азии и Европы начались работы по созданию сети магистралей, на кото­рых скорости движения поездов превышают 200 км/ч. Эти железные доро­ги получили название высокоскоростных магистралей (ВСМ). В 1964 г. в Японии началась эксплуатация первой линии высокоскоростной системы Синкансен ("Новая магистраль") — железной дороги Токайдо (Токио — Осака) протяженностью 515 км, где поезда достигали скорости 210 км/ч. Затем были построены линии Санъё, Тохоку, Дзёэцу, на которых макси­мальные скорости движения поездов были повышены до 240—275 км/ч. Сейчас поезд серии 500 на маршруте Осака - Хаката развивает скорость 300 км/ч.

В 1981 г. во Франции вступил в строй первый участок магистрали Па­риж - Лион, где поезда TGV (Train a grande vitesse) развивали скорость 260 км/ч (линия TGV Sud-Est). На последующих французских магистралях: TGV Nord (к тоннелю под Ла-Маншем) и TGV Mediterranee (к Марселю) максимальные скорости поездов достигают 300 км/ч. Высокоскоростные железнодорожные магистрали функционируют в Италии [Диреттиссима (с итальянского - наипрямейшая): Рим - Флоренция], Германии (Мангейм — Штутгарт, Ганновер — Вюрцбург, Ганновер — Берлин, Кёльн — Франк­фурт), Испании (Мадрид — Севилья). Европейская сеть высокоскоростных железных дорог продолжает развиваться. Такие магистрали проектируют и строят также в Южной Корее, на Тайване, в США, Китае, Австралии и других странах. Всего в мире к середине 2001 г. эксплуатировалось более 5 тыс. км ВСМ. С 1964 по 2000 гг. по ним перевезено свыше 6 млрд пас­сажиров; ежесуточно по расписанию движется более 1,2 . тыс. высокоскоростных поездов [56].

В СССР в 1988 г. была принята государственная научно-техническая программа "Высокоскоростной экологически чистый транспорт", в кото­рой предусмотрено создание системы и технических средств наземного рельсового транспорта для пассажирских перевозок со скоростью до 350 км/ч. В соответствии с этой программой в 1989—1990 гг. был разрабо­тан научный проект высокоскоростной специализированной для пассажир­ского движения двухпутной магистрали Центр — Юг (Ленинград - Моск­ва — Крым, Кавказ). В 1991 г. после экспертизы и одобрения научного проекта ВСМ Центр — Юг было определено первоочередное звено этой магистрали: Ленинград (Санкт-Петербург) — Москва и разработано Техни­ко-экономическое обоснование (ТЭО) ее строительства.

Кроме ВСМ Центр - Юг выполнены проектные проработки высоко­скоростной специализированной железнодорожной магистрали Москва — Минск — Брест протяженностью около 1000 км в вариантах ширины колеи 1520 мм и западноевропейской 1435 мм. Цель этой магистрали — интегра­ция железных дорог России в общеевропейскую высокоскоростную желез­нодорожную сеть путем создания транспортного коридора Москва — Минск — Варшава — Берлин.

В 2001 г. Правительством Российской Федерации утверждена Федераль­ная целевая программа "Модернизация транспортной системы России", в подпрограмму которой "Железнодорожный транспорт" включен раздел "Развитие скоростного и высокоскоростного движения пассажирских поез­дов в России". Кроме указанных выше направлений Москва — Санкт- Петербург и Москва — Красное (направление на Минск и Брест) эта про­грамма предусматривает следующие перспективные направления для строительства пассажирских высокоскоростных магистралей: Москва — Нижний Новгород — Екатеринбург и Москва — Воронеж — Ростов-на- Дону (последнее — для скоростного сообщения центра страны по россий­ской территории с курортами Черноморского побережья и Северного Кав­каза).

К настоящему времени осуществлена первоочередная часть этой про­граммы — реконструкция существующей железной дороги Санкт- Петербург — Москва для движения пассажирских поездов со скоростью 200 км/ч. Строительство высокоскоростных магистралей для движения по­ездов с максимальными скоростями 300—350 км/ч ожидает своей очереди.

Подвижной состав высокоскоростных магистралей. На ВСМ применяются два типа поездов с электрической тягой. Первый тип — моторвагонный поезд, у которого моторные вагоны с двигателями сравнительно неболь­шой мощности (до 1500 кВт) являются одновременно тяговыми и пасса­жирскими. Такой электропоезд может иметь некоторое число прицепных пассажирских вагонов, но может состоять и из одних моторных вагонов. Второй тип (локомотивная тяга) — поезд, у которого по концам состава располагаются электровозы, а пассажиры размещаются в прицепных ваго­нах (10—12 вагонов). Моторные и прицепные вагоны в поездах первого типа, а также локомотивы и вагоны в поездах второго типа имеют едино­образную конструктивную и архитектурную форму, унифицированное обо­рудование и управляются по системе многих единиц. По условиям экс­плуатации отцепка локомотивов у высокоскоростных поездов, как прави­ло, не производится. ф

Преимущества моторвагонных поездов, используемых в Японии, заклю­чаются в следующем: большое число движущих осей, вследствие чего, как правило, нет ограничения силы тяги по сцеплению и обеспечивается более высокая эффективность электродинамического тормоза; меньшая нагрузка от колесной пары на рельсы; большая населенность поезда при равной с локомотивным вариантом длине

Локомотивные поезда TGV во Франции, 1СЕ в Германии, ETR в Ита­лии характеризуются более удобным обслуживанием электрооборудования вследствие расположения его в кузове локомотива, а не в подвагонном ящике.

Моторвагонные и локомотивные поезда электрической тяги характери­зуются большой удельной мощностью — 16—18 кВт на 1 т массы состава, что позволяет поездам развивать в эксплуатации скорости до 300 км/ч. Ре­кордные значения скоростей составили в Германии в 1988 г. 406,9 км/ч, а во Франции в 1990 г. поезд из двух электровозов TGVA и трех вагонов достиг скорости 515,3 км/ч

На высокоскоростных поездах используются, наряду с электропневма­тическим дисковым тормозом, также тормоза: электродинамический (рези- сторный или рекуперативный), линейный вихретоковый и магниторельсо- вый. Линейный вихретоковый тормоз (ЛВТ) создает тормозную силу за счет электродинамического воздействия магнитных полей, возникающих в катушках тормозного башмака и рельсе. Этот тормоз, как и электродина­мический, наиболее эффективен при высоких скоростях движения. Магни- торельсовый тормоз, создающий тормозную силу вследствие трения баш­мака о рельс, применяется, как правило, при экстренном торможении.

В России опытный поезд "Сокол", рассчитанный на максимальную скорость движения 250 км/ч, разработан Центральным конструкторским бюро морской техники "Рубин" (Санкт-Петербург) в содружестве с рядом научно-исследовательских, учебных и производственных организаций. Мо- торвагонный состав поезда "Сокол" сформирован из моторных и прицеп­ных вагонов. Удельная мощность тяговых двигателей составляет 15 кВт/т. Кузова вагонов сварены из панелей и профилей, изготовленных из алюми­ниевых сплавов.

Особенности тяговых расчетов. По результатам исследований, выпол­ненных во ВНИИ железнодорожного транспорта [61], рекомендованы сле­дующие формулы для определения основного удельного сопротивления движению высокоскоростного поезда (у_1ШХ = 300 км/ч), Н/кН:

Wq = 1,0 + 0,01 v+ 0,00014 (v + 15)²;

w_x = 1,07+ 0,014 v + 0,00014 (v + 15)².

Тормозная сила моторвагонного поезда, кН, от действия электропнев­матического дискового тормоза определяется следующим выражением:

в_й = в" п; + в: <,

где В" и В" — тормозная сила, создаваемая дисковым тормозом одного соответст­венно моторного и прицепного вагона, л*¹ и п" — число соответствующих вагонов в составе поезда

Тормозная сила одного четырехосного вагона определяется из условия максимального использования сцепления колес с рельсами:

= 4 q"4>; _в« =

где q — нагрузка, кН, на рельсы от колесной пары вагона соответствующего типа; Ч* — коэффициент сцепления колес с рельсами.

Для расчета коэффициента сцепления рекомендована [61] формула

Ч/=0 21 ^ ^{+ 200} g/g + ¹⁰⁰ ' 3v + 200 4<?/g + 100'

где v — скорость поезда, км/ч; g — ускорение свободного падения, м/с².

Тормозная сила поезда, кН, от действия линейного вихретокового тор­моза

В_л =4(я," +nl)Bl,

где В® — тормозная сила, создаваемая одним башмаком линейного вихретокового тормоза; 4 — количество башмаков J1BT на одном вагоне.

Тормозная сила, создаваемая одним башмаком линейного вихретоково­го тормоза, составляет от 7 кН при скорости 300 км/ч до 9 кН при 70— 100 км/ч [52].

Расчетный тормозной путь на высокоскоростных магистралях устанав­ливается на уровне 3600—3800 м, при этом допускаемые скорости поездов по условию торможения на спусках составляют около 280 км/ч на уклонах

20—24%о и 260 км/ч на спусках 35%о.

***

В главе "Тяговые расчеты" рассмотрены методы определения ряда экс­плуатационных показателей проектируемых железных дорог. При этом бы­ло отмечено влияние, которое оказывает состояние пути на многие из этих показателей.

Так, замена звеньевого пути бесстыковым, укладка тяжелых рельсов, щебеночного балласта достаточной толщины заметно влияют на уменьше­ние сопротивления движению, а следовательно, позволяют увеличить мас­су составов или скорость движения поездов, либо то и другое одновремен­но.

Содержание поверхности головок рельсов в чистом состоянии, отсутст­вие на них следов смазки увеличивают коэффициент сцепления колес под­вижного состава с рельсами. Это повышает силу тяги локомотивов, что в свою очередь обеспечивает движение поездов расчетной массы с установ­ленными скоростями. Реализация высоких значений коэффициента сцеп­ления обеспечивает такие расчетные условия торможения поездов, которые гарантируют безопасность движения.

В данной главе показано, как отмена ограничения скорости движения поездов даже на отдельных километрах (по состоянию верхнего строения пути, земляного полотна, искусственных сооружений) позволяет в ряде случаев существенно увеличить скорость не только в пределах этих кило­метров, но и на значительной части перегона. В отдельных случаях отмена ограничения скорости позволяет увеличить массу состава за счет более полного использования кинетической энергии поезда (см. рис. 2.11).

Рассмотренные примеры дают оценку роли путейцев в улучшении ряда эксплуатационных показателей железных дорог.