1.2 Вплив електричної тяги на розвиток швидкісного сполучення.

Після першої світової війни почала нарощувати електрифікація залізниць. Електрична тяга була введена на магістральних лініях із великою густиною руху. У Німеччині електрифіковано лінію Гамбург – Альтон, Лейпциг – Галле – Магдебург. Електрифіковані північні ділянки в Італії, альпійські в Австрії. Франції, Італії були сконструйовані електровози та електропоїзди, здатні розганяти експреси до швидкості 140–160 км/год. У 30-ті роки в Італії сконструювало швидкісний електропоїзд постійного струму ЕТR 200. На ділянці із Флоренції у Мілан поїзд пройшов за 1 годину 55 хв із вередію швидкістю 164 км/год і короткочасно розвиваючи її до 202,8 км/год. З 1935 року розпочалася електрифікація на території сучасної України. Першою було введено у дію ділянку Долгівцеве (тепер ст. Кривий Ріг – Головна) – Запоріжжя. Розвиток було перерваний новим світовим конфліктом.

Лише на початку 50-х років у Європі було поновлено дослідження у напрямку підвищення швидкості руху. Вже у 1955 році у дослідницький поїздці французький електровоз серії ВВ 9000 на ділянці довжиною 36,9 км лінії Париж – Ліон досягнув швидкості 331 км/год та встановив новий світовий рекорд, який був побитий тільки у 1981 р. поїздом TGV.

Уперше ідея високошвидкісних залізниць була реалізована у Японії на поїзді із серією 0. 1 жовтня 1964 у Токіо відбулася офіційна церемонія початку руху поїздів по магістралі Токіо – Осака довжиною 515 км, приурочена відкриттю XVII Олімпійських ігор. Час руху складав 3 год 10 хв. Максимальна швидкість руху склала 220 км/год, середня швидкість на ділянці – 163 км/год. Велика швидкість та комфорт забезпечили попит у пасажирів, тому вже через 5 років кількість перевезених пасажирів збільшились більше ніж у 2 рази та склали 70 млн. чоловік на рік. Всього з 1963 по 1986 р. було випущено 3216 вагонів поїздів цієї серії. Більше 20 років вони становили основу парку рухомого складу ліній Японії. Поїзди серії 0 складались із 8-ми 2-вагоних секцій, кожна із яких мала своє силове коло. Напруга контактної мережі 25 кВ частотою 60 Гц. Тяговий привод побудований на базі колекторних двигунів постійного струму у кількості 64 шт. по 185 кВт із реостатно-трансформаторним регулюванням.

У 80-тих роках на залізницях Японії увійшли до експлуатації поїзди нового покоління серій 100 та 200, роботи над якими були розпочаті у кінці 60-х років. Реалізована швидкість підвищена до 240 км/год. Потужність тягового приводу, який базувався на 48 (по 230 кВт) колекторних тягових двигуна, було зменшено на 900 кВт відносно поїздів нульової серії і становила 11 МВт. Максимальне навантаження вісь поїздів серій 100 та 200 вдалося знизити до 15 т проти 16 т у поїзда серії 0.

У сконструйованих за 90-х роки поїздах була втілена одна із революційних ідей, що забезпечили зниження маси обладнання, високі швидкісні показники, економічність і значне підвищення надійності всієї машини в цілому. Нові поїзди були обладнанні асинхронним тяговими двигунами із системою керування за принципом широтно-імпульсного моделювання спочатку на базі GTO-транзисторів (типи поїздів 300, Е1, 500, Е2, Е3), потів для серії Е4 та 700 елементну базу перетворювачів набирали із транзисторів з ізольованим затвором. Застосування сучасних технологій та матеріалів дозволило зменшити навантаження на вісь збільшити допустиму швидкість до 270…300 км/год. Суттєву значення у зниженні показників енергоспоживання відігравало покрашення аеродинамічних властивостей корпусу поїздів.

На сьогодні на 91% залізничних шляхів Японії реалізовано високошвидкісне сполучення (від 200 км/год), на відміну від Європи, де цей показник складає 16%. У державах Європи мережа електрифікованих залізниць почала формуватися на початку минулого століття, коли актуальні значення швидкості не перевищували 200 км/год. Як виявилось високошвидкісний, залізничний транспорт, як складна система, потребує компресного розвитку всіх його компонентів. Що у першу чергу стосується інфраструктури та системи електропостачання, здатних у повній мірі реалізувати закладенні можливості рухомого складу. Показовий за цих обставин приклад залізниць Італії, яка удосконалюючи лише рухомий склад, із відставанням змогли перейти на високошвидкісний рух.

У Італії перші кроки по створенню високошвидкісних поїздів були розпочаті у 50-х роках. У 1953 році сконструйований електропоїзд постійного струму ЕТR300 Settebello складений із 7 вагонів. Дванадцять тягових двигунів, потужністю 187 кВт (всього 2244 кВт), здатних розганяти рухомий склад до 200 км/год. У цей період розроблений електропоїзд Аle 60, сформований із 3-х моторних вагонів. Під час випробувань на лінії Рим – Піза, його було розігнано до 270 км/год. На початку 60-х років Італія підготовку до проекту метою якого було впровадження високошвидкісного залізничного руху. У 1986 р. опублікований план, у якому запроектовано спорудження ВСМ в коридорах Венеція – Мілан – Турин і Мілан – Болонья – Рим – Неаполь. Спорудження нової лінії Direttissima (Рим – Флоренція), розрахованої на швидкість до 250 км/год, було розпочато раніше будівництва ліній LGV (фр. «лінія високої швидкості») у Франції. Проте, ще до її завершення лінія застаріла за рядом технічних параметрів. Конструкція нових високошвидкісних магістралей ураховує недоліки попередніх проектів та допускає рух зі швидкостями до 300 км/год. Нові лінії прокладені за основними напрямами: Рим – Неаполь (220 км), введена в експлуатацію в 2000 р; Болонья – Флоренція (83 км); Мілан – Турин (127 км) – 2002 р; Мілан – Генуя (126 км) – 2005 р; Мілан – Верона (134 км) – 2001 р.

У 1972 році фірмою «Fiat Ferroviaria» здійснена концепція електровагону з активною системою нахилу кузова, що дозволяє збільшити швидкість руху поїзда в кривих без зниження рівня комфорту для пасажирів. До 1974 року ідея, реалізована на дослідному електровагоні та втілена в серії поїздів ETR401 Pendolino, розрахованому на максимальну швидкість 250 км/год. Сьогодні термін «Pendolino» використовується для позначення класу поїздів з нахилом кузова вагона в кривих. Кріплення струмоприймача було виконано таким чином, що б положення каретки із прикріпленим до неї полозом не залежало від нахилу кузова. Поїзд складався із 4-х вагонів кожен із яких містив тягові електродвигуни постійного струму напругою на 1,5 кВ. У 1985 компанія «Fiat Ferroviaria» отримала замовлення на поїзд, який у майбутньому отримав серію ETR450 Pendolino. Новий поїзд складався із 11 вагонів із на 10 із яких було розміщено тягові двигуни. Із дизайнерськими змінами ETR450 Pendolino поступив на експлуатацію на залізницях Німеччини під маркіруванням VT 610. Третє покоління – поїзд серії ЕТR460, вийшов у 1992 році, має конструктивну швидкість 250 км/год, дев’ять вагонів (шість моторних) та асинхронний тяговий привод. Поїзд серії ЕТR470 призначений для трансальпійського маршруту, який зв’язує Італію та Швейцарію, розрахований на швидкість 200 км/год маю однокову схему формування із ЕТR 460. Принципова різниця із останнім – це можливість працювати від двох систем електропостачання (3 кВ постійного та 15 кВ 16,7 Гц змінного струму). Тягове обладнання включає перетворювачі на GTO-транзисторах та асинхронні двигуни потужністю 500 кВт. Загальна потужність тягового приводу 6000 кВт.

На відміну розвиток високошвидкісного залізничного транспорту Німеччини, Франції, Іспанії включав комплексні заходи із розробки нового рухомого складу, удосконалення системи електропостачання, конструкції контактної та колії.

На реконструйованих залізничних напрямках Німеччини здійснюється «змішана» експлуатація високошвидкісних і звичайних пасажирських поїздів, а також прискорених вантажних поїздів. При організації високошвидкісного залізничного руху проходило будівництво нових високошвидкісних ліній, а також комплексна модернізація залізничної колії існуючих магістралей та їх поєднання до одної мережі. Німеччина володіє близько 1000 км високошвидкісних магістралей. З 1991 р. на високошвидкісних магістралях до конструкції верхньої будови колії увійшли бетонні плити типу Rheda. Максимальний ухил становив 40‰, радіус кривих – 3350 м, піднесення – 170 мм. Контактна підвіска типу SICAT H 1.0 [11] витримує струм до 850 А., сила натягу контактного проводу 2700 даН, несучого тросу 2100 даН, розрахована на пропускання поїздів із швидкістю 350 км/год із інтервалом 3 хв., кожен потужністю до 20 МВА. На 200 кілометрів шляху припадає 6 тягових підстанцій із встановленою потужністю МВА. Залізниці електрифіковані за системою 15 кВ частотою 16,7 Гц.

У Німеччині 1961 року опубліковано план створення високошвидкісної залізничної мережі довжиною 3200 км для рухи із швидкостями до 280 км/год напрямком Мангейм – Штутгарт, Ганновер – Вюрцбург, Ганновер – Берлін. У 1965 році створений швидкісний (до 200 км/год) електровоз серії Е03, який приводив у рух поїзд на лінії Мюнхен – Аусбург. Добрі результати було досягнуто після вводу в експлуатацію у 1973 р. чотирьохвагонного електропоїзду серії ЕТ403. Поїзди цієї серії володіли невеликим осьовим навантаженням 14,7 т. Сумарна потужність тягових двигунів складала 3790 кВт. Швидкість, обмежена станом колії, під час експлуатації складала 160 км/год, хоча максимально досягнута цим поїздом швидкість була близька до 200 км/год.

З 1981 до 1985 року розроблено електропоїзд розрахований на швидкість 350 км/год, який отримав назву ICE V від Inter City Express (англ. «міжміський експрес») та Versuch (нім. «експериментальний»). Поїзд ICE V складався із двох кінцевих та трьох проміжних вагонів. Потужність кожного моторного вагона складала 4200 кВт. У 1990 р. на залізницях Німеччини увійшов до експлуатації поїзд ICE, який мав конструктивну швидкість 280 км/год, сумарну потужність 9600 кВт; формувався із 14 проміжних та двох моторних вагонів. У наступних роках 1997 та 2000 році відповідно введені до експлуатації поїзди серії ICE2 та ICE3. Останній має два виконання – односистемний для внутрішнього сполучення та чотирьохсистемний призначений для міжнародних перевезень між Німеччиною, Францією, Австрією, Бельгією. Тяговий привод німецьких високошвидкісних поїздів укомплектований на базі асинхронних двигунів. Максимальна швидкість останньої моделей поїздів 330 кілометрами на годину, до якої розганяють поїзд 16 тягових двигунів потужністю 500 кВт.

Перша ВСМ ФРН Мангейм – Штутгарт (99 км) була введена в експлуатацію в 1991 році, потім були побудовані ВСМ Ганновер – Вюрцбург (326 км), Ганновер – Берлін (265 км); в процесі будівництва знаходиться лінія Кельн – Франкфурт – на-Майні (215 км) і Нюрнберг – Лейпциг (192 км).

У Європі провідну роль у розвитку швидкісного та високошвидкісного руху відігравала Франція, що підтверджується досягненнями залізничних компаній в конструюванні високошвидкісних ліній та поїздів TGV (Train à Grande Vitesse із фр. «поїзд високої швидкості»). У Франції для високошвидкісного руху побудовані спеціальні магістралі. Оскільки ВСМ і мережа звичайних залізниць мають одну і ту ж колію 1435 мм, високошвидкісні поїзди можуть виходити на звичайні лінії, що збільшує зону обслуговування. Рухомий склад звичайних залізниць ніколи не заходить на високошвидкісні лінії. У великих містах високошвидкісні поїзди обслуговуються на існуючих вокзалах, які перед початком експлуатації піддалися реконструкції. Мінімальний радіус кривих TGV у плані 4000 м, піднесення рейки 180 мм, поздовжній ухил до 35‰. Висота земляного насипу від його основи складає 14 м. В якості баласту використовують щебінь із розміром фракцій 20-50 мм за середньої товщині шару баласту 32 см. Контактна мережа виконана із ресорним тросом або із двома струнами у опорному вузлі. Натяг контактного проводу та ресорного тросу становить 1400 даН. Довжина анкерної ділянки 1400 м максимальна довжина прогону 63 м. Для тягового електропостачання застосовуються системи кВ, 25 кВ 50 Гц та 1,5 кВ постійного струму.

Спочатку ідея високошвидкісного руху базувалася на застосуванні газотурбінного двигуна, яка дозволяла реалізувати високошвидкісне сполучення без витрат на електрифікацію. Цьому сприяла відносно низька ціна рідкого пального та технологія створення легких авіаційних газотурбінних двигунів, якою володіла Франція. У 1972 р. поїздом TGV 001 під час випробувань встановлений рекорд швидкості 318 км/год. Проте світова нафтова криза 1973-1975 рр. повернула конструкторів до розвитку високошвидкісного неавтономного рухомого складу.

У кінці 70-х у Франції розпочались випробування електропоїздів TGV компанії «Alsthom». Восени 1980 перший поїзд TGV Paris – Sud-est (TGV РSE) почав рухатись на маршруті Париж – Леон. У 1981 р. було рекорд 380 км/год. Серія TGV РSE формувалась із двох моторних та восьми проміжних вагонів два із яких мають по одному візку із двигуном; розрахований на напругу 25 кВ частотою 50 Гц та постійний струм при напрузі 1,5 кВ. Для нової лінії від Парижу до Атлантичного узбережжя розроблений поїзд TGV Atlantique (1988 р.). У травні 1990 р. модифікований TGV Atlantique № 325 встановив новий світовий рекорд швидкості – 515,3 км/год. Поїзд складався із двох кінцевих моторних вагонів і десяти проміжних; розрахований на дві системи живлення. Приводився до руху трифазними синхронними двигунами потужністю 1100 кВт. Загальна потужність для напруги 25 кВ та частоти 50 Гц – 8800 кВт.

Загалом створено понад 10 модифікацій високошвидкісних поїздів [11] для використання на маршрутах всередині країни і на міжнародних лініях: TGV La Poste – для термінової доставки пошти та дрібних вантажів; TGV Reseau – для обслуговування всієї мережі ВСМ на південь і північ від Парижа; TGV Eurostar – для напрямку Париж – Брюссель і Лондон; TGV Thalys для напрямку Париж – Брюссель – Кельн і Амстердам; TGV Duplex – двоповерхові високошвидкісні поїзди, якими з 1996 року замінювали морально застарілі TGV PSE; TGV KTX – високошвидкісний поїзди, створений для Південної Кореї.

У 2007 році Франція поставила новій рекорд. Експериментальний електропоїзд зібраний із двох моторних вагонів TGV La Poste (7800 кВт) та трьох проміжних вагонів TGV Duplex (середній 4000 кВт). Напруга була піднята до 31 кВ, а на рекордній ділянці до 32 кВ. На початку року на лінії проводилися дослідні поїздки, під час яких 13 лютого встановлено неофіційний рекорд в 554,3 км/год, а 3-го квітня при великій кількості журналістів і кореспондентів поїзд розігнали до швидкості 574,8 км/год,

Рекорд середньої швидкості руху 305,5 км/год встановлено 26 травня 2001 р. поїздом TGV Reseau під час проходження ділянки довжиною 1067,2 км за 3 год 29 хв 36 с. Миттєве значення швидкості змінювалось від 200 до 367 км/год.

За перспективи зростання швидкості руху залізничного транспорту набули актуальності проблеми зв’язані із взаємодією рухомого складу та колії (зчеплення, динамічний знос). Нова перспективна ідея розвитку швидкісного та високошвидкісного магістрального наземного транспорту реалізувалась через відмову від традиційної системи «колесо-рейка» на користь поїздів із магнітним підвішуванням або магнітною левітацією (маглев).

Осатаній зафіксований офіційно рекорд швидкості поїздів цієї системи у 2003 році становив 581 км/год. До переваг маглев відносять відносно низький шум. У інтервалі швидкостей 200…400 км/год рівень шуму коливається від 75 до 90 дБ. За швидкості 350 км/год інші поїзди строюють шум рівнем у 95 дБ. Пояснення таких результатів у аеродинамічних якостях поїзду відсутності струмоприймачів та шум гойдання. У ряді робіт [11,12] стверджується, що рівень безпеки при експлуатації транспорту із магнітним підвішуванням у 250 разів більше, що обумовлено охопленням вагонів колійної структури.

Система маглев громадського користування була реалізована у Німеччині, Великій Британії, Японії, Китаї. Розроблений проект на території СРСР. Найбільших успіхів у розвитку нового виду транспорту досягла Японія, у 2027 р. планується введення до експлуатації лінії між центральною частиною Токіо і портом Нагоя із магістральною із продекламованою швидкістю 500 км/год.

Складність, яку доводиться долати у зв’язку із провадженням магнітних магістралей комерційного призначення, великі капітальні затрати на спорудження колійної інфраструктури, прокладання шляху через населенні пункти, відмова рухомого складу чи інфраструктури блокує рух на ділянці, у порівнянні великі поточні витрати на електроенергію, взаємодія із мережею існуючих залізниць. Із цих обставин традиційна залізничний транспорт на електричній тязі досі створює конкуренцію іншим його видам, підтверджуючи свою високу надійність, економічність, комфортність для пасажирів, гарантуючи при цьому збереження вантажів, найвищу безпеку та екологічність.