3.2.5Скоростной подвижной состав

Скоростной железнодорожный транспорт экономически и социально привлекателен и конкурирует с другими видами транспорта при перевозках на расстоянии 400 – 800 км в дневное время и на 1700 – 2500 км в спальных вагонах ночных поездов.

К высокоскоростным железным дорогам (ВСМ) относятся железные дороги, на которых осуществляются движение специализированного подвижного состава со скоростями 250 км/ч и выше с заданным уровнем комфортности и обеспечением безопасности. Сложилась следующая градация скоростей движения пассажирских поездов:

• до 200 км/ч – движение на обычных железных дорогах;

• от 200 до 250 км/ч – скоростное движение;

• свыше 250 км/ч – высокоскоростное движение на специально построенных для этих целей железных дорогах.

Маршрутные скорости движения поездов на ВСМ составляют 120 – 210 км/ч. От них зависит время в пути от центра одного города до центра другого (в зарубежной литературе эту скорость называют коммерческой).

Среди двух систем ВСМ на сети железных дорог – традиционной (колесо – рельс) и системы магнитного подвеса – наибольшее распространение получила система колесо – рельс.

Рекордные скорости движения пассажирских поездов и рекордные скорости движения по рельсовому пути для различных видов тяги приведены в таблицах 2.20, 2.21.

ВСМ в последние годы стали самым существенным технологическим прорывом, потенциал которого реализован пока в недостаточной мере. Ожидается, что к 2020 году протяженность новых высокоскоростных линий в мире достигнет 25тыс.км.

Первый в СССР скоростной поезд ЭР200 («Электропоезд Рижский»), рассчитанный на максимальную скорость 200 км/ч, разработан и изготовлен в 1968 – 1974 годах. В поезде было применено много новых технических решений, которые ставили его в ряд лучших мировых аналогов того времени: вагоны с кузовами из легких сплавов, пневматическое рессорное подвешивание, дисковые тормоза, токоприемники новой конструкции.

С 1984 г. электропоезд ЭР200 был введен в постоянную эксплуатацию на линии Ленинград – Москва. В 1987 г. время в пути этого поезда межу конечными пунктами составляло 4 часа 30 мин., маршрутная скорость – 144 км/ч.

Одновременно с ЭР200 велась разработка скоростного поезда, получившего наименование «Русская тройка», рассчитанного на скорость до 200 км/ч. Поезд должен был формироваться из вагонов Тверского вагоностроительного завода и электровозов ЧС200 (производство Чехословакии). Было изготовлено 8 опытных вагонов, которые показали на испытаниях хорошие результаты, однако в коммерческой эксплуатации поезд «Русская тройка» не использовался.

Таблица 2.20 – Рекорды скоростей движения пассажирских поездов
Дата	Подвижной состав	Участок пути	Скорость, км/ч
1808	Паровоз «Догони меня, кто может»	Лондон	30,0
1829	Паровоз «Ракета»	Рейнхилл-Ньюкастл	48,0
1848	Паровоз «Ливерпуль»	Ливерпуль	126,0
1853	Паровоз № 41	Ротвелл—Болтон	131,6
1893	Паровоз № 999	Сиракузы—Буффало	181,0
1903	Моторный вагон	Мариенфельд—Цоссен	210,2
1931	Дирижабль на рельсах	Гамбург—Берлин	230,0
1955	Локомотив ВВ9004 и СС7107	Бордо—Дакс	331,0
1981	TGV-PSE № 016	Тоннере—Пассили	380,0
1988	IC-410	Вюрцбург—Фулда	406,9
	«Трансрапид»	Германия	482,0
1989	TGV – «Альстом»	Франция	482,1
1990	TGV-A №325	Коутралайн—Турс	515,3
2007	AGV – «Альстом»	Франция	574,8
2003	Поезд на магнитном подвесе MLX01	Япония	581,0

Таблица 2.21 – Рекордные скорости движения для различных видов тяги
Скорость, км/ч	Вид подвижного состава	Страна	Дата	Вид тяги
201,2	Паровоз «Маллард»	Англия	1938	Паровая
271,0	Тепловоз серии ТЭП80	Россия	1993	Тепловозная
515,3	Электропоезд TGV А	Франция	1990	Электрич.
230,2	Аэровагон с воздушным винтом	Германия	1931	Воздушный винт
295,8	Аэровагон с турбореактивным двигателем	США	1966	Реактивная
430,4	Аэропоезд на воздушной подушке	Франция	1974	Воздушная подушка
581,0	Поезд на магнитном подвесе MLX001	Япония	2003	Магнитный подвес
574,8	Электропоезд АGV	Франция	2007	Электрич.

Российским акционерным обществом «Высокоскоростные магистрали» совместно с МПС России при участии различных предприятий в 2000 г. завершено создание электропоезда нового поколения «Сокол», в двух модификациях, рассчитанных на максимальные скорости движения 250 и 350 км/ч. Поезд «Сокол 250» предназначен для скоростного движения на реконструированных линиях, «Сокол 350» – на специально сооружаемых ВСМ. Однако в связи с реформированием железнодорожной отрасли финансирование производства этих поездов было прекращено.

Дальнейшая реализация проекта высокоскоростного железнодорожного движения перешла в плоскость кооперации с иностранными партнерами.

Концепция развития высокоскоростного движения в России и СНГ предусматривает строительство ВСМ с реализацией допускаемых скоростей до 400 км/ч.

Также линии целесообразно сооружать параллельно наиболее загруженным направлениям на отдельном полотне и только для пассажирского движения. При этом должен соблюдаться основной принцип – совместимость с существующей железнодорожной сетью. Предполагается сохранить единую инфраструктуру сети с общей системой эксплуатации.

Для обеспечения высокоскоростных перевозок в мире создано более 30 моделей электропоездов. Наиболее значительный опыт их разработки и производства накоплен в Германии, Японии, Франции, Италии и Испании.

В Германии развитие получило семейство поездов ICE («Inter City Express» – международный экспресс). На основе опыта успешной эксплуатации составов ICE-3 со скоростями до 330 км/ч создан новый модельный ряд электропоездов «Velaro» для дорог Испании и Китая с максимальной скоростью 350 км/ч.

В Японии получило развитие семейство электропоездов «Синкансен», что в переводе означает «новая колея». Наряду с постоянным увеличением парка, ежегодно появляются 3 – 4 модификации этих составов. Сегодня ведутся испытания новых типов поездов с конструкционной скоростью 360 км/ч.

Особое место в высокоскоростном движении занимает Франция. Семейство поездов TGV («Train a Grande Vitesse» – скоростной поезд) успешно эксплуатируется не только во Франции и соседних европейских странах (поезда «Евростар», «Талис», «Евромед», ABE), но и в Южной Кореи и США.

В последнее десятилетие в Европе, как и в Японии, все большее распространение получают высокоскоростные поезда с распределенной тягой. Это позволяет в перспективе обеспечить эксплуатационную скорость движения до 400 км/ч, а также увеличить количество пассажирских мест на единицу длины подвижного состава. Для достижения данных скоростей, учитывая необходимость преодоления высокого сопротивления воздушной среды, необходимо использовать новейшие технологии в изготовлении вагонов.

Новое поколение высокоскоростных электропоездов AGV использует достижения в области преобразовательной и тяговой техники и базируется на синхронных тяговых двигателях на постоянных магнитах, безредукторном тяговом приводе. Применение этих технологий открывает путь к исключению из конструкции подвижного состава пневматических тормозных систем.

Ведущие изготовители Японии и Франции уже используют эти технологии для электропоездов нового поколения. В феврале 2008 г. во Франции представлен первый электропоезд нового семейства AGV. Во время опытных поездок прототипа этого электропоезда был установлен мировой рекорд скорости – 574,8 км/ч для системы «колесо – рельс».

Таким образом, страны, имеющие действующую сеть высокоскоростных линий, связывают дальнейшую перспективу ее расширения с использованием классической системы «колесо – рельс». Очевидно, что применяемые сегодня технологии еще не достигли предела развития и продолжают совершенствоваться.

Выбор тягового привода. При проектировании высокоскоростного подвижного состава выбор тягового привода становится особенно острой проблемой. Существуют 2 концепции: локомотивная (сосредоточенная) и моторная (распределенная).

В первом случае тяговые электродвигатели установлены на электровозах, находящихся обычно в головной и хвостовой частях поезда. Эта концепция до недавнего времени преобладала в Германии, Испании, Швеции.

Во втором случае тяговые средства равномерно размещены вдоль электропоезда. Все высокоскоростные поезда Японии являются моторвагонными. К концепции распределенной тяги перешли и европейцы в новейших разработках ICE-3 (Германия), опытного поезда TGV (Франция).

Мощность тяговых электродвигателей для высокоскоростного подвижного состава выбирается, прежде всего, из условия преодоления сопротивления воздушной среды, а не основного и дополнительного сопротивления движению поезда на руководящем уклоне, т.к. первая превалирует [42].

Исследования показали, что сопротивление воздушной среды имеет две главные составляющие: пропорциональную скоростному напору воздуха, т.е. величине скорости в квадрате и пропорциональную трению поверхности вагона о воздух, т.е. величине скорости в первой степени. Первая составляющая определяется формой головной части и первого вагона поезда, а вторая – суммарной площадью поверхностей трения вагонов, гладкостью обшивки кузовов, количеством и конструктивным оформлением межвагонных соединений и переходов. Так как длина поезда во много раз больше поперечного сечения вагонов, то основным сопротивлением из воздушных составляющих является трение вагонов о воздух.

Следовательно, на высокоскоростном подвижном составе необходимо иметь тяговые электродвигатели с мощностью, не только обеспечивающей трогание поезда с места и движение на расчетном подъеме пути, но и способностью преодолевать постоянно увеличивающееся сопротивление вследствие трения вагонов о воздух в связи с ростом скорости.

Высокоскоростной электропоезд VELARO RUS «Сапсан» (Рис.2.39, Табл.2.22, 2.23), на поставку которых в количестве 8 поездов был подписан договор с немецким концерном Siemens Transportation System Group в 2006 году, состоит из десяти вагонов. Общая длина состава 250 метров. Поезда рассчитаны на перевозку более 600 пассажиров, а подвижной состав на принятую в России ширину колеи 1520 мм, что на 33 см шире используемых в Германии стандартов ICE (Intercity Express). Максимальная скорость поезда – 330 км/ч.

Максимально реализуемая скорость движения электропоездов VELARO RUS «Сапсан» на существующей железнодорожной линии Москва – Санкт-Петербург – 200 км/ч и на отдельных участках до 250 км/ч.

Поезда Velaro RUS представляют собой адаптированную к условиям эксплуатации в РФ известную в Европе серию поездов ICE. Основой платформы поездов Velaro стала серийная модификация ICE-3.

Для России этот проект был переработан с учетом требований заказчика – ОАО «РЖД». Так, вагоны Velaro RUS крупнее своих европейских аналогов по габаритам, поезда оснащены системами безопасности КЛУБ-У, радиосвязи, т.е. оборудованием, которое взаимодействует с путевыми устройствами СЦБ российского стандарта. Электропоезда полностью приспособлены для климатических условий России.

а – Самая быстрая птица б – Самый быстрый поезд России

в – Салон скоростного поезда

г – Управление дверями

Рисунок 2.39 – Высокоскоростной электропоезд VELARO RUS «Сапсан»

Рисунок 2.39 г – Кабина машиниста VELARO RUS «Сапсан» (http://metroblog.ru/post/3575/)

1 – Задатчик скорости, 2 –Дисплей КЛУБ-У, 3 – Рукоятка тяги, 4 – Рукоятка тормоза, 5 – Задатчик направления движения, 6 – Основной экран с параметрами электрической цепи, 7 – Экран состояния тормозов, 8 – Проследование нейтральной вставки, 9 – рукоятка бдительности, 10 – Главный выключатель

Таблица 2.22 – Перспективное время хода поезда «Сапсан» по участкам

Направления	Протяженность, км	Персп. время хода, ч. мин
Санкт-Петербург – Москва	650/659	3:45
Москва – Смоленск – Красное (Европа)	463	2:00
Москва – Курск – Прохоровка –Журавка – Ростов	1387	9:40
Ростов – Краснодар – Адлер	518	5:50
Санкт-Петербург – Бусловская	158	1:30
Москва – Смоленск – Красное	487	4:00
Москва – Курск	537	5:20
Москва – Нижний Новгород	442	3:55
Москва – Калуга – Брянск – Суземка	488	4:00
Москва – Рязань – Мичуринск – Саратов	859	7:30
Москва – Ярославль	282	2:35

Таблица 2.23 – Технические характеристики поезда «Сапсан»

Габаритные размеры
- длина поезда, м	250
- ширина вагона, мм	3265
- длина кузова головного вагона, мм	25535
- длина кузова промежуточного вагона, мм	24175
Материал кузова вагона	алюминий
Ширина колеи, мм	1520
Максимальная нагрузка от оси колесной пары на рельс, кН	170
Масса поезда с пассажирами, т	662
Номинальное напряжение контактной сети (постоянный ток), кВ	3,3
Максимальная тяговая мощность вo время движения и торможения, МВт	8
Максимальная сила тяги при трогании с места, кН	328
Максимальная эксплуатационная скорость, км/ч	250
Количество мест для сиденья	604
Диапазон эксплуатационных температур, °С	от – 40 до +40
Срок эксплуатации, лет	30

С учетом особенностей системы электрификации железных дорог России, 4 поезда выполнены в односистемной конфигурации – на 3 кВ постоянного тока, другие 4 – в двухсистемной конфигурации – на 3 кВ постоянного тока и на 25кВ переменного тока.

Скоростной электропоезд для линии Санкт-Петербург – Хельсинки – «Аллегро» (Рис.2.40, Табл.2.24) между Россией и Финляндией был запущен в эксплуатацию в 2010 году. Поезд производства компании Альстом.

Рисунок 2.40 – Скоростной электропоезд «Аллегро»

Таблица 2.24 – Параметры электропоезда «Аллегро»

Количество поездов	двухсистемных – 3кВ, 25 кВ
Количество вагонов в составе	7
Места для сидения в поезде (всего – 352): бизнес класс туристический класс	48 304

В рамках реализации задач по оснащению электропоездов в пригородном движении специалисты ОАО «РЖД» и фирмы «Сименс АГ» ведут разработку высокотехнологичных и комфортабельных поездов, которые по своим дизайнерским и инженерно-техническим решениям не будут уступать лучшим мировым образцам железнодорожной техники.

Первым этапом совместной работы – электропоезд «Ласточка», разработанный на технической платформе Desiro (Рис.2.41, Табл.2.25).

Рисунок 2.41 – Внешний дизайн поезда «Desiro» (Ласточка)

Таблица 2.25 – Технические характеристики электропоезда DESIRO RUS

Мощность на ободе колеса, кВт	2550
Максимальная сила тяги при трогании с места, кН	255
Максимальная эксплуатационная скорость, км/ч	160
Номинальное напряжение в контактной сети (постоянный ток), кВ	3
Номинальное напряжение в контактной сети (переменный ток), кВ	25
Габаритные размеры: длина поезда, м ширина вагона, мм	126 3480
Материал кузова вагона	Al
Ширина колеи, мм Максимальная масса электропоезда, т	1520 367
Количество мест для сидения/общая пассажировместимость	463/ 857
Срок эксплуатации, лет	40

Электропоезда «Ласточка» будут изготовлены двухсистемными с возможностью эксплуатации на постоянном и переменном токе с максимальной скоростью 160 км/ч.

Desiro выпускается как в дизельном, так и в электрическом варианте. Обычно используется в двух или трехвагонном составе. Несмотря на технические отличия, внешний вид Desiro унифицирован. Модели Desiro RUS предназначены для обеспечения пригородного пассажирского сообщения в период проведения Олимпийских игр 2014 года на направлениях Сочи – Адлер – Красная поляна и Аэропорт Адлер – Сочи.

Расположение оборудования поезда на крыше и в подвагонном пространстве позволяет максимально использовать внутреннее пространство вагонов для размещения пассажиров. Общая вместимость пяти вагонов электропоезда составляет 850 пассажиров, в том числе 4 места предусмотрено для людей с ограниченными физическими возможностями.

Электропоезд состоит из двух моторных и трех прицепных вагонов. В целях повышения пассажировместимости, конструкция электропоезда позволяет производить сцепку двух однотипных поездов в один состав.

Каждый пассажирский вагон оборудован компактной климатической установкой, расположенной на крыше кузова вагона, а головной вагон – кондиционером для кабины машиниста. Обеззараживание рециркуляционного воздуха осуществляется при помощи ультрафиолетового излучения.

Кузов вагона представляет несущую сварную конструкцию из алюминиевых профилей. Головная часть кузова головного вагона защищена модульными блоками «крэш», обеспечивающими сохранность локомотивной бригады и пассажиров в чрезвычайных ситуациях при соударении поездов.

Для системы обеспечения безопасности движения в головном вагоне устанавливается система «Блок» и поездная радиосвязь. Система автотормозного оборудования и тяговые характеристики электропоезда выполнены с учетом обеспечения безопасной эксплуатации поезда на участках с руководящими подъемами до 40‰.

Несомненным преимуществом электропоезда является наличие пневмоподвески кузова вагона. Ее модульная конструкция обеспечивает простоту технического обслуживания. Оборудование вагона адаптировано для работы при температуре до –40°С.

Скоростной пригородный электропоезд Desiro (Ласточка) будет выпускаться ООО «Уральские локомотивы» и концерном Siemens.

Ключевые технические проблемы ВСМ все больше концентрируется вокруг вопросов повышения максимальной и маршрутной скоростей с определением их оптимальных пределов с позиций:

• безопасности и экологии;

• привлекательности для пассажиров;

• энергетического баланса;

• капитальных вложений;

• эксплуатационных расходов;

• получения максимальных доходов.

Анализ европейского рынка перевозок показывает, что максимальная эффективность использования железнодорожного высокоскоростного движения достигается при времени следования поезда 2,5 – 3 ч на путях протяженностью 400 – 800 км. На этих расстояниях железнодорожный транспорт обладает конкурентным преимуществом.

Расчеты экспертов свидетельствует о нецелесообразности выхода в постоянной коммерческой эксплуатации за пределы скоростей выше 350 км/ч. Так увеличение скорости движения со 100 до 200 км/ч сокращает время поездки с 5 ч до 2 ч 30 мин, а увеличение скорости с 350 до 400 км/ч сокращает время в пути с 1 ч 25 мин до 1 ч 15 мин, т.е. всего на 10 минут. Эта величина сопоставима со средним временем ожидания городского транспорта и не является показателем существенного улучшения новой транспортной услуги. Кроме того, при повышении скорости более чем 350 км/ч относительная величина уменьшения времени в пути стремится к нулю, тогда как капитальные затраты и эксплуатационные расходы, в том числе на электроэнергию, а также суммарная эмиссия CO₂ возрастают. Следовательно, максимальную скорость движения высокоскоростных поездов – 350 км/ч следует считать оптимальной.

Высокоскоростной поезд на магнитном подвесе (Рис.2.42, Табл.2.26) является возможной альтернативой железнодорожному транспорту в пассажирском движении. Классическая система «колесо – рельс» подошла к пределу своих возможностей для дальнейшего повышения скорости и обеспечения необходимости ускорения перемещения людей.

В системе колесо – рельс несущий компонент – рельс исполняет роль направляющего элемента. Роль приводящего компонента – тяговый электрический двигатель, находящийся на оси колесной пары локомотива. Альтернатива – магнитная левитация – «Маглев». В системе магнитного подвеса несущим компонентом является электромагнитное поле. Оно создается статором развернутого тягового двигателя, размещенного в путевой структуре, который взаимодействует с ротором – магнитами, размещенными на поезде. Поезд «вывешивается в вертикальной плоскости». Механического и электрического контактов нет - их заменяет электромагнитное поле. То же в горизонтальной плоскости. \ Приводящий момент (для разгона, поддержания скорости и торможения) обеспечивается подачей переменного тока в статор развернутого двигателя. Ток и частота плавно регулирует магнитное поле, а, следовательно, и скорость перемещения.

а – электродинамический, электромагнитный и индукторный подвес

б – Система Transrapid Maglev (ФРГ)

в – Шанхайский маглев (Китай)

Рисунок 2.42 – Поезда с электромагнитным подвешиванием (Маглев)

Таблица 2.26 – Сравнительные характеристики рельсового высокоскоростного транспорта и транспорта на магнитном подвесе

Высокоскоростной рельсовый транспорт	Маглев
Тяговые характеристики
Локомотивная тяга: относительная простота в обслуживании; низкие эксплуатационные расходы. Распределенная тяга: улучшенные тяговые характеристики; улучшенные ходовые качества; улучшенная нагрузка на путь.	Электромагнитная тяга: значительное увеличение максимальной скорости; минимальная нагрузка на путь; высокая динамика разгона.
Эксплуатационная безопасность
Эксплуатационная безопасность обеспечивается жесткими требованиями к контролю функционирования устройств СЦБ, связи, пути, механизмов подвижного состава. Тем не менее, при аварийной ситуации существует вероятность схода состава с рельсов. Обеспечение безопасности движения во многом обусловлено человеческим фактором	Полностью автоматизированная транспортная система и многократное дублирование всех ее компонентов повышает устойчивость к отказам, обеспечивая высочайший уровень эксплуатационной безопасности. Риск схода с рельсов полностью исключен благодаря конструкции системы «путь – подвижной состав».
Экспериментально достигнутые скорости
Специально подготовленный поезд TGV (Франция) в 2007 г. установил рекорд скорости для данного вида транспорта – 574,8 км/ч	Поезд MLX01 (Япония) в 2003 г. установил рекорд скорости 581 км/ч
Эксплуатационная скорость
Технически и экономически оправданной максимальной эксплуатационной скоростью рельсового подвижного состава по современным оценкам считается скорость, близкая к 360 км/ч. Значимое увеличение данного показателя не предвидится	Диапазон эксплуатационных скоростей поездов на магнитном подвесе начинается с 400 км/ч. Скоростной потенциал технологии не определен. В настоящее время ограничения по скорости связаны с недостаточной протяженностью существующих линий
Динамика разгона
Разгон поезда до 300 км/ч занимает около 6 мин и требует не менее 18 км пути	Разгон до 300 км/ч занимает менее 2 мин и требует около 4 км пути
Максимальный уклон пути
Не более 4 %	Не более 10 %
Минимальный радиус кривой пути
На скорости 200 км/ч – 1400 м. На скорости 300 км/ч – 3200 м	На скорости 200 км/ч – 850м. На скорости 300 км/ч – 1920 м
Уровень шума
При 300 км/ч – 91 дБ (Velaro E)	При 300 км/ч – 80 дБ (Transrapid)

Основу полотна дороги образуют Т – образные стальные или бетонные опоры длиной по 25 метров. Поезд охватывает верхний пояс Т – образного профиля и таким образом продвигается по дороге. Автоматическое регулирование тока возбуждения в обмотках электромагнитов обеспечивает необходимый воздушный зазор между поездом и путем.

Поезда на магнитном подвесе считаются одним из самых экологически чистых видов транспорта. Тем не менее, существует немало технических проблем, не позволяющих приступить к строительству ВСМ на магнитном подвешивании и, в первую очередь, в России – в основном из-за климатических особенностей нашей страны.

Ниже приведены факторы обеспечения эксплуатационной безопасности различных систем ВСМ.

Рельсовый высокоскоростной транспорт:

• необходимость постоянного контроля рельсов, колёсных пар, рам тележек подвижного состава на наличие скрытых дефектов для предупреждения аварийных ситуаций;

• жёсткие требования к содержанию устройств СЦБ и связи;

• решающая роль в обеспечении безопасности движения принадлежит машинисту поезда;

• возможен сход с рельсов при аварийной ситуации;

• использование тележки Якобса снижает риск опрокидывания вагонов при сходе поезда.

Транспорт на магнитном подвесе:

• отступление от норм содержания направляющей пути исключены благодаря постоянному электронному контролю;

• автоматическое обнаружение отклонений на ранних стадиях для обеспечения функциональности системы;

• полностью автоматизированная транспортная система;

• риск схода с рельсов исключён благодаря конструкции системы «путь – подвижной состав» поезда;

• многократное дублирование всех компонентов системы повышает устойчивость к отказам.

Из сравнения факторов очевидны преимущества системы Маглев - к решению этой большой научно-технической задачи уже приступили многие компании железных дорог мира.