Организация высокоскоростного движения лекции

2) Оперативно-технологическая (селекторная) – для диспетчерского управления процессами перевозок.

Радиосвязь организуется на системе стандарта GSM-R. Существует четыре вида железнодорожной радиосвязи:

1)Поездная радиосвязь – для связи диспетчера с машинистами;

2)Стационарная – для управления технологическими процессами на станции;

3)Ремонто-оперативная – при производстве ремонто-восстановительных работ;

4)Радиосвязь передачи данных – для связи между ЭПС и напольным оборудованием.

02.12.15

Особенности тягового электроснабжения ВСМ

Преодоление силы сопротивления движению поезда, зависящей от трения качения, аэродинамических нагрузок, уклона пути, достигается за счет энергии вращения ТЭД подвижного состава.

Движущие оси ЭПС сопряжены с электрическими двигателями посредством механической передачи вращающего момента. В свою очередь ТЭД получают электроэнергию от генераторов электростанции через системы внешнего и тягового электроснабжения (ТЭС).

Рисунок 15 – схема образования силы тяги на ободе колеса ЭПС: ОК – обод колеса; МП – механическая передача; ПРА – пуско-регулирующая аппаратура; ТПР –токоприемник; РС – рельсовая сеть; ТПП – тяговая преобразовательная подстанция; СВЭ – система внешнего электроснабжения

31

Уравнение движения поезда устанавливает зависимость скорости движения от сил, действующих на поезд. Все силы, действующие на поезд заменяют результирующей силой, определяемой из следующего уравнения:

рез = КΣ − − ,

где FK – суммарная касательная сила тяги от всех движущих осей поезда; WK – результирующее сопротивление движению поезда; BТ – общая сила торможения.

При положительном значении Fрез сила является ускоряющей, при отрицательном значении – замедляющей.

Подвижной состав может двигаться в трех различных режимах: тяги, выбега, торможения.

В режиме тяги сила торможения равна нулю, поэтому Fрез определяется разностью между силой тяги и силой сопротивления движению.

Касательная сила тяги от одной оси:

где МД – вращающий момент ТЭД; μ – передаточное отношение редуктора (МП);МП – КПД механической передачи; DК – диаметр колеса поезда (1,25м – для электровоза, 0,92м – Сапсан)

Силами сопротивления называются внешние силы, приложенные к поезду и направленные в сторону противоположную движению. Некоторые из этих сил, действующих на поезд постоянно и создают основное сопротивление движению. К этим силам относятся сила трения в подшипниках колес, сила сопротивления от рельсовых стыков, сила трения между колесами и рельсами, силы сопротивления воздушной среды.

Временно действующие силы создают дополнительное сопротивление движению поезда. Оно появляется при движении по кривому участку пути, при движении на подъем, при метеоусловиях отличных от нормальных (низкие температуры).

Сила сопротивления воздушной среды имеет важное значение при высокоскоростном движении, так как она пропорциональна квадрату скорости.

20 = 0 2 ,

где 0- аэродинамический коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела; ρ – плотность воздуха (1,2754 кг/м3); v – скорость тела относительно воздушной массы; S – характерная площадь тела.

Составляющая аэродинамического сопротивления уже при v = 120 км/ч достигает более половины общего сопротивления движению поезда. При скорости 300350 км/ч влияние 85-90%. В связи с этим потребная электротяговая мощность для высокоскоростных поездов возрастает. На ее рост также оказывает влияние более интенсивные разгоны для более высоких скоростей.

Удельная мощность электропотребления:

уд = 300 ÷ 500 кВткм при скоростях движения не более 160 км/ч;

уд = 1 ÷ 2,5 МВткм для высокоскоростных железных дорог.

32

В системе ТЭС ВСМ возрастают пиковые нагрузки на ТП, увеличиваются потери напряжения и мощности в устройствах ТЭС, усложняется токосъем, увеличивается нагрев проводов КС, повышаются требования к избирательности РЗ7. При этом одновременно повышаются требования к качеству электроснабжения высокоскоростных поездов, одному из основных показателей – уровню напряжения на токоприемнике. Минимально допустимый уровень напряжения на токо-

приемнике для них выше.

04.12.15

На ВСМ в последнее время в основном применяют систему ТЭС 2*25 с автотрансформаторными пунктами на МПЗ8.

Рисунок 16 – принципиальная схема системы электроснабжения 2×25

Мощность АТ9 на МПЗ составляет 10-15 МВА. Мощность каждого из двух трансформаторов на ТП может достигать 100-150 МВА.

Данные параметры АТ выбирают исходя из длины МПЗ, равной 60 км. Так как токи поездов ВСМ представляют большую однофазную нагрузку, то подключение ТП к трехфазной сети ВЭС через однофазные трансформаторы, создает значительную асимметрию токов по фазам. Это приводит к дополнительным потерям в ЛЭП ВН и может нарушить условия нормальной работы других потребителей, подключенных к данной ЛЭП.

Для устранения асимметрии токов в системе ВЭС на ТП ВСМ часто применяют специальные трансформаторы обладающие симметрирующим эффектом. Например, в Японии нашли широкое применение трансформаторы ТП соединенные по схеме Скотта.

Модифицированная схема Вудбриджа. Эффект от применения таких трансформаторов заключает в том, что при одинаковых токах в плечах питания ТП в первичной обмотке трансформаторов создается симметричная системе токов.

При односторонней нагрузке ТП эффект от симметрирующих трансформаторов сводится к нулю.

7Релейная защита

8Межподстанционная зона

9Автотрансформатор

33

Рисунок 17 - схема тягового электроснабжения ВСМ Японии: а – по схеме Скотта; б – по модифицированной схеме Вудбриджа

Особенности КС ВСМ определяются конструктивными параметрами контактных подвесок, зависящими от многих факторов. Основными из них являются допустимая нагрузка по току и максимальная скорость движения по условию обеспечения надежного токосъема.

Сами конструкции контактных подвесок на ВСМ не имеют существенных отличий от обычных. Выполняются цепными, одинарными и комплексными.

Контактные провода выполняются из электролитической или легированной меди, несущий трос из меди или бронзы.

Подвески могут выполняться как с рессорным узлом, так и без него. Для обеспечения пропуска больших токовых нагрузок сечение контактного провода увеличивается до 120-150 мм2.

Контактные подвески делятся на анкерные участки длиной порядка 1200 метров. Сопряжение анкерных участков выполняется, как правило, 4-5 пролетные. Обеспечение надежного токосъема на высоких скоростях достигается за счет уменьшения длин пролётов до 63-65 метров, повышения натяжений НТ и КП с целью выравнивания эластичности по длине пролета и улучшения динамических показателей контактных подвесок.

Динамические показатели:

Скорость распределения механической волны вдоль КП, Ст, км/ч;

Коэффициент отражения механической волны, r;

Коэффициент Доплера, определяющий взаимное соотношение скоростей токоприемника и механической волны, α (V, км/ч);

Коэффициент усиления контактного нажатия, γ.

34

35

09.12.15

Особенности подвижного состава на ВСМ

На высокоскоростном ЭПС нашли применение в настоящее время две концепции тягового привода:

Локомотивная (сосредоточенная) – тип ПС с ТЭД установленными на электровозах, которые размещаются по одному в головной и хвостовой частях поезда;

Моторвагонная (распределенная) концепция – тип ПС с относительно равномерным размещением ТЭД по осям вдоль поезда.

Высокоскоростной ЭПС в условиях эксплуатации не переформируется и расцепляется только в депо при проведении ремонтных работ.

В последнее время производители высокоскоростного подвижного состава в своих новейших разработках отдают предпочтение распределённой тяге. Считается, что поезда с распределённой тягой обладают большей полезной площадью пассажировместимости, лучшей разгонной динамикой. Кроме этого распределённая тяга позволяет более эффективно распределять силу тяги по длине состава, что улучшает сцепные характеристики поезда, приводя к меньшему количеству боксования, возможности преодоления более крутых уклонов, снижению износа колесных пар.

Количество ТЭД на современном высокоскоростном подвижном составе – от 8 до 16 штук, а их мощность может изменяться от 500 кВт до 1200 кВт.

Результирующая мощность тягового электропривода ЭПС EuroStar – 12,5 МВт.

Самый мощный в мире грузовой электровоз 4ЭС5К «Ермак» имеет мощность

13,1 МВт.

Наиболее важным элементом ходовой части рельсового экипажа является колесная пара.

Колесо являясь движителем, а также средством поддержания и задания траектории экипажа, не требует энергии для поддержания необходимого зазора между экипажем и поверхностью земли, поэтому затраты на передвижение экипажей являются минимальными. Вместе с тем, система колесо-рельс имеет ряд недостатков:

Невозможно сделать идеально гладкими железнодорожный путь и колесо;

Особую сложность представляет процесс прохождения кривых на высоких скоростях;

На ВСМ используется ПС с разными типами опирания вагонов на тележки:

С двумя двухосными тележками на каждый вагон – данный тип наиболее распространен на ВСМ;

С одной промежуточной двуосной тележкой для двух смежных вагонов (сочлененные вагоны). В данном типе опирания используются более короткие вагоны;

С одной промежуточной одноосной тележкой для двух сочлененных вагонов.

Сокращение количества осей позволяет снизить дополнительное сопротивление движению от кривых, однако, одновременно заставляет снижать массу и длину вагонов.

36

Эксплуатация поезда из сочленённых вагонов усложняется, поскольку при ремонтных работах для поддержания расцепленных вагонов требуются технологические тележки.

Практически все перевозки в высокоскоростных поездах осуществляются только в сидячем положении. Исключением являются несколько протяженных маршрутов, где используется высокоскоростные поезда со спальными вагонами.

На кузов ПС воздействуют высокие аэродинамические нагрузки, в т.ч. и на дверные устройства.

На высокоскоростном подвижном составе в качестве наружных дверей вагонов получили распространение «плаг-двери».

Кузов вагонов высокоскоростных поездов делается герметичным, а установки вентиляции и кондиционирования воздуха объединяются с системой защиты пассажиров от резких перепадов давления.

В систему жизнеобеспечения вагонов входят емкости для хранения запасов воды: отдельно для технических нужд и отдельно для питья.

Важным элементом создания комфортных условий поездки является информационное обеспечение пассажиров.

16.12.15

Требования по обеспечению безопасности в аварийных ситуациях

Движущийся с высокой скоростью поезд является источником повышенной опасности из-за его кинетической энергии.

Типичными и наиболее опасными случаями, приводящими к аварии и катастрофе, являются:

сход подвижного состава;

столкновение поездов.

Втаких случаях за ПС остается функция пассивной защиты, которая заключается в амортизации удара для снижения ускорения-замедления (-а) и обеспечения жесткости тех частей кузова, где размещены локомотивная бригада и пассажиры.

Сэтой целью в носовой части кузова первого и концевого вагонов размещают сцепные устройства повышенной энергоемкости, а также аварийные амортизаторы удара:

амортизаторы удара имеют сотовые (ячеистые) металлические конструкции, которые при ударе сминаются и поглощают значительное количество энергии.

межвагонные соединения и тамбурные части вагонов проектируют с меньшей плотностью, создавая «жертвенные» части, принимающие на себя значительную часть энергии при деформации и позволяющие сохранить от разрушения пассажирский салон.

ПС с устройствами наклона кузова.

Возможности повышения скорости движения поездов ограничены действием на пассажиров в кривых поперечного или центробежного ускорения:

2ЦБ = 3,62 ∙ ;

37

Максимально допустимое поперечное ускорение (ЦБ) для ПС определяется усилиями, действующими на путь, и значительно превосходит то, которое переносит человек.

Действие ЦБ в кривых частично снижается устройством возвышения наружного рельса, но полностью быть скомпенсировано таким путем не может при высоких скоростях. При недостаточном возвышении наружного рельса и невозможности увеличения радиуса кривых применяют вагоны с устройством наклона кузова. Производитель такого поезда (Pendollino) Италия.

При использовании таких вагонов некоторая доля ЦБ ощущается пассажирами как вертикальное ускорение. Во время включения такой система верхняя часть кузова вагона наклоняется к центру кривой, что по воздействию на пассажира равносильно возвышению наружного рельса. Сила не должна быть полностью скомпенсирована, т.к. у пассажира может возникнуть ощущение «морской болезни».

Исследования показали, что применение системы наклона кузова позволяет повысить скорость в кривых на 25%

18.12.15

Транспорт на магнитном подвесе

Исследования по созданию высокоскоростного транспорта на магнитном подвешивании начали проводиться с 1960-х гг. Начали этим заниматься немцы, создавшие поезд Transrapid. В настоящее время главенствующая роль в развитии такого транспорта принадлежит Японии. Магнитолевитационный принцип движения (Maglev) использует эффект отталкивания и притяжения магнитов.

Преимуществом транспорта Maglev является отсутствие силы трения.

Если путевую структуру и ПС снабдить развернутым электродвигателем, то можно получить перемещение ПС относительно путевой структуры. В транспорте Maglev используется преимущественно два типа подвешивания:

1.Электромагнитное ЭМП

2.Электродинамическое ЭДП

ЭМП осуществляется с помощью электромагнитов постоянного тока. Подъем вагонов обеспечивается силами притяжения электромагнитов к неподвижному ферромагнитному рельсу путевой структуры, при этом достигается сравнительно небольшая высота подвешивания 8-10мм, что предъявляет жесткие требования точности изготовления и регулирования ЗП, а также точности регулирования токов в обмотках электромагнитов.

Сила тяги, приводящая ПС в движение, создается взаимодействием магнитного поля электромагнитов ПС с бегущим магнитным полем трехфазной обмотки статора линейного синхронного двигателя, размещенного

в путевом полотне.

Сбоку расположены направляющие электромагниты. Снизу—поддерживающие.

38

Меняя направление электрического тока (чередованием фаз) в статоре электродвигателя можно поучать разгон или ускорение ПС.

Сувеличением скорости движения поезда уменьшается сила притяжения ПС

кполотну. Для поддержания требуемой высоты подвешивания необходимо в процессе движения изменять величину тока возбуждения в электромагнитах с помощью быстродействующей системы управления.

Основным недостатком системы ЭМП является малая высота и неустойчивость подвешивания. Для получения больших значений высоты подвешивания требуются более мощные электромагниты. Для этого на ПС используют сверхпроводящие электромагниты, обмотки которых охлаждают криогенной жидкостью.

ЭДП основано на действии сил отталкивания сверхпроводящих электромагнитов постоянного тока, размещенных на ПС, с короткозамкнутыми контурами из токопроводящего немагнитного материала (алюминий), расположенными в путевой структуре.

При перемещении источника магнитного поля относительно путевых короткозамкнутых контуров в них наводятся токи, стремящиеся вытолкнуть источник магнитного поля из области расположения путевых контуров.

Рисунок 18

ЭДП при использовании сверхпроводящих магнитов позволяет поднять поезд весом в несколько тонн на высоту 100-150мм. ЭДП может достигаться только при определенных скоростях движения (70км/ч). Поэтому при разгоне и торможении требуется применение колес, напоминающих самолетные шасси.

Для создания силы тяги и торможения на вертикальных стенках пути установлены электромагнитные катушки, питающиеся трехфазным током. Эти катушки во взаимодействии со сверхпроводящим магнитом образуют линейный двигатель.

Рисунок 19 – линейный двигатель

39

Сравнение высокоскоростных магнитных и колесных поездов

При одинаковых скоростях движения потребление энергии поездом на магнитном подвесе на 25% выше, чем колесным поездом.

Общая потребность в железе в системе магнитной левитации в 4 раза больше, чем в системе колесо-рельс.

В 4 раза дороже обходятся преобразователи электроэнергии в системе Maglev. Затраты на путевую структуру Maglev в 1,4раза выше.

Плюсом Maglev является наиболее высокая скорость передвижения (600км/ч).

С точки зрения безопасности существует мнение, что транспорт Maglev наиболее предпочтителен, т.к. нет возможности схода с рельсов

40