Разработка критериев выбора подвижного состава для организации высокоскоростного движения в условиях железных дорог Казахстана (обзор)



В данной статье проводится анализ источников по теме исследования, рассматриваются технические характеристики моделей высокоскоростного подвижного состава, приводятся факторы, влияющие на выбор высокоскоростного подвижного состава, описываются перспективы развития и варианты организации высокоскоростного движения в Казахстане.

Ключевые слова: высокоскоростной подвижной состав, железные дороги Казахстана, высокоскоростной электропоезд.

Современный мир не обходится без инновационных технических решении и постоянно требует развития науки и технологии. Это можно наблюдать на примере развития железнодорожного транспорта, в истории которого одним из ключевых инноваций стало появление высокоскоростного движения. Благодаря этому достижению, страны мира смогли повысить свои экономические показатели, усовершенствовать транспортную систему, а пассажиры, пользующиеся услугами высокоскоростного транспорта, получили возможность комфортно и быстро перемещаться на длинные расстояния.

По сегодняшним меркам популяризация высокоскоростного транспорта является одной из актуальных тем. Это связано с тем, что актуальность данного вида транспорта определяется интересом стран в силу получения экономической выгоды. Высокоскоростные поезда позволяют сократить время в пути, что приводит к повышению производительности труда, снижению издержек и увеличению привлекательности территорий для инвестиций. Поэтому многие страны Европы и Средней Азии на долгосрочную перспективу планируют организацию железнодорожного высокоскоростного движения на территориях.

Высокоскоростной железнодорожный транспорт — рельсовый подвижной состав, состоящий из прицепных и тяговых моторных вагонов, скорость которого преодолевает 200 км/ч. В настоящее время высокоскоростной железнодорожный транспорт обслуживает только пассажирское движение, поскольку развитие высоких скоростей в грузовом движении не допускается в целях обеспечения безопасности движения. Такой запрет обуславливается высокой грузоподъемностью грузовых вагонов, что в последствии приводит к снижению их конструкционной скорости.

К основным преимуществам использования высокоскоростного подвижного состава относятся: комфортабельность; высокая провозная способность; высокая скорость движения; повышенный уровень безопасности движения; энергоэффективность; низкое воздействие на экологическую среду.

Для организации высокоскоростного движения на железных дорогах Казахстана необходимо учитывать текущее состояние парка подвижного состава, технические и тяговые характеристики высокоскоростного железнодорожного подвижного состава, подходящую систему железнодорожной инфраструктуры (верхнее и нижнее строение железнодорожного пути, план пути, контактная сеть, предназначенная для высокоскоростного движения) и безопасность движения.

На территории Республики Казахстан протяженность железнодорожных путей составляет порядком 16 тыс. км [11, с.1], часть из которых неполностью электрофицированы. Это нельзя считать единственной проблемой железных дорог Казахстана, поскольку к дополнению данной проблемы входит вопрос замены однопутных участков на двухпутные.

С целью необходимости организации высокоскоростного движения одновременно стоит отметить, что на сегодняшний момент подвижной состав парка Казахстана имеет крайне неудовлетворительное состояние. Это обуславливается высоким коэффициентом износа подвижного состава, в совокупности который составляет 70 % [10]. Несмотря на то, что в Казахстане идёт стремительное обновление парка, в эксплуатации по сей день содержится (находится) устаревший подвижной состав, который превышает заявленный срок службы.

Кроме этого, стоит вопрос повышения скорости движения имеющегося подвижного состава. Максимально допустимая скорость движения на железных дорогах Республики Казахстан с учётом участковой и технической скоростей составляет в среднем значении 160 км/час в пассажирском движении, 90 км/ч — в грузовом движении [6]. Таким образом, можно понять, что максимально допустимая скорость в пассажирском движении соответствует норме скоростного движения. Тогда как скорость движения подвижного состава в грузовом движении не входит в указанную норму, что является довольно актуальной проблемой для железнодорожного транспорта в целом.

Цель исследования: обзор технических характеристик подвижного состава с учетом факторов, влияющих на разработку критериев выбора высокоскоростного подвижного состава.

Методология исследования: для достижения цели исследования были использованы следующие методы:

— анализ существующих видов подвижного состава, используемых для высокоскоростного движения в разных странах, их технических характеристик, преимуществ и недостатков;

— сравнительный анализ моделей высокоскоростных электропоездов по критериям скорости, пассажировместительности, размерного показателя.

Предложенные в данной статье факторы способны оказать организацию высокоскоростного движения в рамках железных дорог Казахстана.

Кроме того, на основе проведенного литературного обзора по настоящей теме исследования предоставляются основные технические характеристики моделей высокоскоростных электропоездов для проведения сравнительного анализа.

Анализ технических характеристик высокоскоростного подвижного состава стран зарубежья

Япония является страной, которая сделала прорыв в области высокоскоростного наземного транспорта. В 1964 году она запустила первую в мире высокоскоростную железнодорожную магистраль (ВСМ) под названием «Синкасен», в итоге которая стала одним из мировых символов научно-технического прогресса. С тех пор Япония продолжает совершенствовать свою систему ВСМ «Синкасен» и разрабатывать новые модели высокоскоростного подвижного состава. На линиях «Синкасен» эксплуатируются множество серии электропоездов Shinkansen, которые имеют свои конструктивные особенности и характеристики.

В таблице 1 приведены современные модели высокоскоростного подвижного состава серии E5 и N700S.

Таблица 1

Основные технические характеристики моделей высокоскоростных электропоездов

Модель подвижного состава	Конструкционная скорость, км/ч	Пассажировместимость, чел.	Выходная мощность, кВт	Длина подвижного состава, м	Род тока, AC / DC
TGV Duplex	320 км/ч	545 чел.	8800 кВт	200 м	25 кВ 50 Гц AC / 1,5–3 кВ DC
Talgo 350	330 км/ч	400 чел.	8000 кВт	200 м	25 кВ, 50 Гц AC / 3 кВ DC
Shinkansen E5	320 км/ч	574 чел.	9280 кВт	400 м	25 кВ 50 Гц AC
Shinkansen N700S	300 км/ч	731 чел.	9600 кВт	404,7 м	25 кВ 60 Гц AC

Многоизвестные высокоскоростные электропоезда Shinkansen характеризуются технологической продвинутостью, уникальными конструктивными особенностями и гениальными инженерно-техническими решениями.

Кроме того, электропоезда Shinkansen послужили примером для разработки высокоскоростных поездов TGV во Франции, ICE Velaro в Германии и AVE Talgo в Испании.

Произведем анализ особенностей и технических характеристик высокоскоростных электропоездов Shinkansen E5 и N700S.

Электропоезд Shinkansen серии Е5 [3] — высокоскоростной японский электропоезд, производством и обслуживанием которого занимается компания Hitachi совместно с Kawasaki Industries и Nippon. Согласно данным, приведённым в таблице 1.1, заявленная производителем конструкционная скорость движения электропоезда составляет 320 км/ч. Конструкция имеет узкий обтекаемый корпус в зоне носовой части и раздвижные обтекатели, предназначенные для непосредственного доступа к автосцепному устройству. Узкий обтекаемый корпус способствует повышению аэродинамических показателей (снижению аэродинамического сопротивления), что в результате обеспечивает высокую скорость движения.

Внешний вид электропоезда Shinkansen серии E5 представлен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид высокоскоростного электропоезда Shinkansen серии E5

Shinkansen N700S [4] является новейшей модификацией модельной серии высокоскоростных электропоездов N700 компании Hitachi, Kawasaki Industries и Nippon. Он имеет 16 вагонов с общей вместимостью 731 пассажира и оснащается батареями, которые позволяют электропоезду осуществлять движение в автономном режиме при отключении тягового электроснабжения, а также системами безопасности и комфорта для пассажиров [4]. Введен в эксплуатацию сравнительно недавно — в 2020 году.

Кроме того, Shinkansen N700S имеет острый и угловатый профиль передней части, который снижает аэродинамическое сопротивление движению и уменьшает давление воздуха при входе в туннели.

Ещё одной конструктивной особенностью данного электропоезда заключается в использовании усовершенствованной системы наклона, которая обеспечивает плавное и тихое движение поезда [4].

На рис. 2 представлен высокоскоростной электропоезд Shinkansen серии N700S.

Рис. 2. Внешний вид высокоскоростного электропоезда Shinkansen серии N700S

Проводя сравнительный анализ высокоскоростных электропоездов Японии, стоит отметить, что электропоезда Shinkansen обладают непременно высокой выходной мощностью на валах тяговых электродвигателей (ТЭД), чем является весомым преимуществом в сравнении с высокоскоростными электропоездами стран Европы.

Преимущество заключается в преодолении тяжелых уклонов продольного профиля пути за счет использования высокой выходной мощности высокоскоростных электропоездов серии Shinkansen, что в результате позволяет электропоезду сохранять кинетическую энергию при движении. Такие уклоны характеризуются горной и холмистой местностью, которые в условиях железных дорог Казахстана являются нередкостью.

Известно, что на железных дорогах Казахстана эксплуатируются скоростные вагоны Talgo 200. Опыт эксплуатации вагонов Talgo 200 показал, что их комфортабельность достаточно низка в силу малых размеров салона, отсутствия душевых кабин и недостаточной шумоизоляции. Однако, невзирая на перечисленные недостатки, вагоны Talgo 200 не обделены преимуществами, которыми являются:

— достаточно низкая масса вагонов, что в результате позволяет подвижному составу развивать высокую скорость за относительно короткий период времени;

— применение жесткого сочленённого соединения вагонов, за исключением вагонов-электростанции которые оборудуются автосцепным устройством СА-3;

— применение одноосной колесной пары, располагаемой в межвагонном пространстве;

— применение маятниковой системы пневмоподвески.

Поэтому в рамках вопроса организации высокоскоростного движения в Казахстане рассмотрим высокоскоростной поезд Talgo 350.

Высокоскоростной электропоезд Talgo 350 [2] производства испанской компании Talgo имеет 12 вагонов с общей пассажировместимостью 400 пассажиров, его конструктивная скорость составляет 330 км/ч. Он характеризуется низкими показателями сопротивления движению и высокой устойчивостью к поперечному ветру. Вагоны электропоезда, за исключением моторных, имеют те же конструктивные особенности, которые имеются в скоростных вагонах Talgo 200.

На рис. 3. представлен высокоскоростной электропоезд модели Talgo 350 государственной компании Renfe AVE (Испания).

Рис. 3. Внешний вид высокоскоростного электропоезда AVE Talgo 350

Одной из наиболее развитых стран Европы, занимающихся производством и эксплуатацией высокоскоростного подвижного состава, является Франция. Она создает значительный вклад в производство высокоскоростных железнодорожных электропоездов серии TGV.

TGV (Train à Grande Vitesse) — это серия высокоскоростных электропоездов, разработанных Alstom и эксплуатируемых французской государственной железнодорожной компанией SNCF. TGV были первыми коммерчески успешными высокоскоростными поездами в мире и сыграли важную роль в развитии высокоскоростного железнодорожного транспорта в Европе. Из успешных современных моделей серии TGV является высокоскоростной электропоезд TGV Duplex.

Французские высокоскоростные электропоезда серии TGV Duplex [5], основанные на передовых технологиях, способны развивать скорость более 300 км/ч. Эти электропоезда, данные о которых приведены в таблице 1, характеризуются высокой надежностью, конструкционной скоростью, повышенной комфортабельностью и большой пассажировместимостью, уступая по этому параметру только японским высокоскоростным электропоездам Shinkansen E5 и N700S. Большая пассажировместимость TGV Duplex обусловлена наличием второго этажа, чем и является его конструктивной особенностью.

Кроме того, по проведенным эксплуатационным испытаниям, TGV Duplex смог достичь максимальной скорости 575 км/ч, установив при этом мировой рекорд скорости железнодорожного транспорта [12]. Это событие ознаменовало новую эру в развитии высокоскоростного железнодорожного транспорта, продемонстрировав превосходство французских технологии.

Высокоскоростной электропоезд серии TGV Duplex государственной компании SNCF (Франция) изображён на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид высокоскоростного электропоезда SNCF TGV Duplex

Выбор высокоскоростного подвижного состава по техническим характеристикам значится основополагающим критерием, показывающим его технологическую продвинутость, производительность и конкурентоспособность.

При выборе высокоскоростного подвижного состава характерно учитывать стоимость и экономические затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт высокоскоростного подвижного состава.

Учет факторов, влияющих на разработку критериев выбора высокоскоростного подвижного состава

Стоит учитывать, что разработка критериев выбора является достаточно сложным процессом ввиду учета многочисленных факторов. К числу таких факторов относятся: безопасность движения; железнодорожная инфраструктура; эксплуатация подвижного состава; климатические условия.

Требования к безопасности движения являются немаловажным критерием в выборе подвижного состава, поскольку безопасность движения влияет на нервно-эмоциональное напряжение локомотивной бригады, стабильность психофизиологического состояния пассажиров и служебного персонала поезда, а также обеспечивает сохранность окружающей среды.

Предусматривается ряд строго необходимых нормативно-технических документов в отношении безопасности движения. Непременно значимыми документами в данной области считаются Правила технической эксплуатации и международный регламент ТР ТС «О безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта» [7]. Ввиду того, что Правила технической эксплуатации Республики Казахстан [8] не имеет на данный момент конкретных требований к высокоскоростному железнодорожному транспорту, уместно рассматривать регламент ТР ТС.

ТР ТС «О безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта» [7] содержит требования к безопасности при производстве, эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте высокоскоростного железнодорожного подвижного состава. Посредством данного регламента возможно оценить выбор высокоскоростного подвижного состава по соответствию требованиям безопасности при проектировании, учитывая наличие систем безопасности, необходимых технических устройств, агрегатов и электрических машин.

Согласно регламенту ТР ТС «О безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта» в целях безопасности важно учитывать шум высокоскоростного подвижного состава. Так как высокий уровень шума неблагоприятно воздействует на человека, вызывая у него болезненные ощущения.

Для безопасности движения высокоскоростного подвижного состава требуется не только соблюдение нормативно-технических регламентов и правил безопасности, но и подходящая железнодорожная инфраструктура. Поэтому для Республики Казахстан первостепенной задачей является создание железнодорожной инфраструктуры, предназначенной для скоростей движения поездов свыше 200 км/ч.

Авторы Вахитова Л. В., Даулетьяров С. А., Абдрахимов Н. Б. также отметили в научной работе [6] несоответствие текущего состояния железнодорожной инфраструктуры Республики Казахстан. По их словам: «основным сдерживающим фактором развития скоростного и высокоскоростного движения в Республике Казахстан является отсутствие транспортной инфраструктуры, отвечающей требованиям высокоскоростного движения при наличии скоростного подвижного состава. Таким образом, чтобы соответствовать и вовремя реагировать на мировые тенденции развития железнодорожного транспорта Казахстану необходимо совершенствовать процесс модернизации железнодорожной инфраструктуры, используя все имеющиеся для этого ресурсы» [6].

Исходя из данного вывода [6], предлагается два условных варианта решения данной проблемы:

1) совершенствование процесса модернизации железных дорог Казахстана [4];

2) строительство изолированной железнодорожной сети, предназначенной исключительно для высокоскоростного движения.

Предполагается, что первый вариант решения проблемы подвергнет ухудшению состояния безопасности движения поездов, который отразится повышением риска нарушений безопасности движения (НБД). Причина такого предположения объясняется наличием высокой интенсивности движения грузовых и пассажирских поездов на железных дорогах Казахстана. Вместе с тем, имеется риск увеличения времени опозданий поездов в пассажирском и грузовом движениях.

Весьма значимым и более рациональным вариантом для организации высокоскоростного движения является строительство полностью изолированной железнодорожной сети. Это позволит обеспечить постоянную скорость движения, улучшить состояние безопасности движения высокоскоростного подвижного состава и высокую эффективность обслуживания маршрутов. При возможных опозданиях предполагается, что время опоздания будет сравнительно меньше, чем на модернизированной железнодорожной сети. Такое предположение объясняется наличием факта опоздании поездов на железных дорогах Казахстана [9].

Основные недостатки строительства изолированной железнодорожной сети заключается в дороговизне строительства и повышения коррупции, которая измерима эмпирическими методами.

Чтобы рассчитать требуемые технические характеристики к высокоскоростному подвижному составу для эксплуатации на железных дорогах Казахстана, целесообразно использовать модель динамики движения высокоскоростного подвижного состава. Данная модель характеризуется применением математических методов, позволяющих выполнить тяговый расчет поезда. Такой расчет позволит оценить целесообразность эксплуатации выбранной модели высокоскоростного подвижного состава на железных дорогах Казахстана.

Не менее важным фактором в процессе разработки критериев являются климатические условия. Они характеризуются порывистыми снежными бурями и ветрами, резкими перепадами температур, сухостью воздуха и небольшим количеством осадков на большей части территории Республики Казахстан. Поэтому для организации высокоскоростного движения необходимо выбрать подвижной состав, который способен выдержать тяжелый климат Казахстана при температурном диапазоне от -60 до +60 °С и низкой влажности воздуха.

Поскольку большая часть территории Республики Казахстан покрыта степью и пустынями, частым явлением являются сильные и переменчивые ветры. Однако в рамках вопроса эксплуатации высокоскоростного подвижного состав значительно уделяется внимание поперечному ветру. Поскольку он является вредным фактором, негативно влияющим на скорость и состояние безопасности движения высокоскоростного подвижного состава, что требует внедрения дополнительных мер по минимизации воздействия поперечного ветра на высокоскоростной подвижной состав, чтобы обеспечить высокий уровень безопасности его движения.

Заключение . Проведенный общий обзор по теме исследования позволил провести анализ источников, сравнительный анализ технических характеристик высокоскоростных электропоездов. В процессе обзора были предложены факторы, учитываемые при разработке критериев выбора высокоскоростного подвижного состава.

Было выяснено, что выбор высокоскоростного подвижного состава по техническим характеристикам является основополагающим критерием, показывающим технологическую продвинутость, производительность и конкурентоспособность высокоскоростного подвижного состава.

Для дальнейшего исследования настоящей темы необходимо базироваться на применении модели выбора подвижного состава на основе критериев, которая в результате позволит произвести оценку подвижного состава по соответствию модели динамики движения поезда, соответствию энергоэффективности высокоскоростного подвижного состава, статистическому анализу количественных технико-экономических показателей, анализу безопасности движения и анализу требований, предъявляемых к конструкции высокоскоростного подвижного состава.

Литература:

1. Родченко, В. А. Высокоскоростное железнодорожное движение. Мировой опыт и перспективы в России: Учебное пособие / В. А. Родченко, Д. С. Зандарашвили. — 1-е изд. — Москва: МГУПС (МИИТ), 2015. — 116 c. — Текст: непосредственный;
2. Talgo 350. — Текст: электронный // Официальный сайт Talgo. Talgo.com: [сайт]. — URL: https://www.talgo.com/talgo-350 (дата обращения: 27.12.2023);
3. E5 and H5 Series Shinkansen. — Текст: электронный // Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikimedia Foundation, Inc.: [сайт]. — URL: https://en.wikipedia.org/wiki/E5_and_H5_Series_Shinkansen (дата обращения: 27.12.2023);
4. Tanaka, A., Ohmori, Y., Nomura, H., Yoshida, Y., & Watanabe, T. (2021). Development of a high-speed railway train with a 350 km/h operating speed. IEEJ Journal of Industry Applications, 10(4), 1020–1027;
5. TGV Duplex. — Текст: электронный // Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikimedia Foundation, Inc.: [сайт]. — URL: https://en.wikipedia.org/wiki/TGV_Duplex (дата обращения: 27.12.2023);
6. Вахитова, Л. В. Об эффективности реализации скоростного и высокоскоростного движения на железнодорожном транспорте Республики Казахстан / Л. В. Вахитова, С. А. Даулетьяров, Н. Б. Абдрахимов. — Текст: непосредственный // Актуальные научные исследования в современном мире. — 2021. — № 2–2 (70). — С. 69–74;
7. О безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта (ТР ТС 002/2011). — Текст: электронный // ЕЭК. Евразийская экономическая комиссия: [сайт]. — URL: http://docs.eaeunion.org/docs/ru-ru/01430284/err_08102021_90 (дата обращения: 27.12.2023);
8. Правила технической эксплуатации железнодорожного транспорта. — Текст: электронный // Әділет. Информационно-правовая система нормативных правовых актов Республики Казахстан: [сайт]. — URL: https://adilet.zan.kz/rus/docs/V1500011897 (дата обращения: 27.12.2023);
9. Пассажирские поезда массово задерживаются в Казахстане из-за снегопада. — Текст: электронный // Tengrinews.kz: [сайт]. — URL: https://tengrinews.kz/kazakhstan_news/passajirskie-poezda-massovo-zaderjivayutsya-kazahstane-iz-za-520502/ (дата обращения: 27.12.2023);
10. Об утверждении Концепции развития транспортно-логистического потенциала Республики Казахстан до 2030 года. — Текст: электронный // Әділет. Информационно-правовая система нормативных правовых актов Республики Казахстан: [сайт]. — URL: https://adilet.zan.kz/rus/docs/P2200001116#z151 (дата обращения: 27.12.2023);
11. Информационный лист № 2 за II квартал 2021 г. по проекту «Определение отраслевых показателей, источников данных и организация учета на железнодорожном транспорте». — Текст: электронный // KAZLOGISTICS: [сайт]. — URL: https://kazlogistics.kz/storage/corfond/2kv_ANEK.pdf (дата обращения: 27.12.2023);
12. What are the World’s Fastest Trains?. — Текст: электронный // High Speed Rail Alliance: [сайт]. — URL: https://www.hsrail.org/blog/worlds-fastest-trains/#:~:text=The %20current %20world %20speed %20record,modified %20to %20test %20new %20designs (дата обращения: 27.12.2023).