Анализ вариантов тяги, используемой в высокоскоростном движении



Одной из задач, решаемых при организации высокоскоростного движения, является выбор типа используемого подвижного состава. Чаще всего при этом оцениваются такие характеристики, как стоимость подвижного состава, пассажировместимость, максимальная скорость движения.

Следует отметить, что указанная задача должна решаться с учетом параметров не только подвижного состава, но и линии, на которой планируется его эксплуатация. В частности, при организации высокоскоростного движения на участках со сложным профилем необходимо учитывать тяговые возможности высокоскоростных поездов, которые будут влиять на величину руководящего и инерционного уклона. Очевидно, что эти параметры оказывают существенное влияние, как на капитальные вложения, так и на расходы, связанные с эксплуатацией линии. В частности, меняются план и продольный профиль трассы, объемы и стоимость земляных работ, количество и стоимость искусственных сооружений. С точки зрения эксплуатации, будет меняться скорость движения, расходы на тягу поездов [2, с. 230].

Отдельным вопросом является технико-экономическая оценка использования линии для движения не только пассажирских, но и скоростных грузовых поездов — в этом случае именно они будут лимитировать максимальные уклоны трассирования [1, с. 64].

В высокоскоростном пассажирском движении в настоящее время используется подвижной состав двух типов: а) с сосредоточенной тягой (скоростной локомотив и прицепные вагоны) и б) с распределенной тягой (поезд, имеющий в составе несколько моторных вагонов, распределенных по его длине). В первом случае это классическая «поездная» компоновка, при которой имеется локомотив и не моторные вагоны. Второй случай — это схема, используемая в нашей стране в моторвагонных электропоездах.

Рассмотрим особенности использования разных компоновок скоростных поездов по способу распределения тяги в некоторых странах, в которых скоростные перевозки являются основным видом железнодорожного сообщения.

Примером компоновки поездов с распределенной тягой может служить высокоскоростного электропоезда «Сапсан». Данный вид поезда спроектирован на базе стандартной платформы Velaro. Эта же платформа использовалась для проектирования высокоскоростных поездов Китая — CRH3 и Германии — ICE-3. Схема формирования электропоездов «Сапсан» в зависимости от рода потребляемого тока ЭВС1 постоянного и ЭВС2 — переменного тока представлен на рисунке 1 [4, с. 38].

Рис. 1. Схема формирования электропоезда «Сапсан» ЭВС1 и ЭВС2 соответственно

Описание вагонов в составе электропоезда приведено в таблице 1 [4, с. 38].

Таблица 1

Вагоны всоставе электропоезда «Сапсан»

Тип вагона		Описание
ЭВС1	ЭВС2
SR	SR	Головной моторный вагон с тяговым преобразователем
DR	DR	Немоторный вагон с сетевыми фильтрами и токоприемниками постоянного тока
MW	-	Немоторный вагон
-	TR	Немоторный вагон с тяговым трансформатором и токоприемником переменного тока
SR	SR	Моторный вагон с тяговым преобразователем
BAT	BAT	Немоторный вагон с аккомуляторными батареями и тормозными резисторами

Германия на своих скоростных линиях использует поезда с распределенной тягой, отказавшись от концепции ICE1/ICE2 и перейдя к ICE3 и ICE-T [5].

Для оптимального использования своих возможностей поезда ICE нуждаются в специально оборудованных трассах. На территории Германии существует два типа высокоскоростных трасс: новые трассы, построенные специально для эксплуатации высокоскоростных поездов, на которых максимально разрешённая скорость составляет до 350 км/ч, и, так называемые, «улучшенные трассы» с максимальной скоростью до 230 км/ч, представляющие собой ранее существовавшие трассы, адаптированные для ICE [5].

В поездах ICE используются как моторные, так и безмоторные вагоны. В зависимости от количества моторных вагонов, их расположения в составе, максимальная скорость составляет от 280 до 330 км/ч.

Франция, где скорости движения в среднем выше, чем в Германии упор по-прежнему делается на эксплуатацию поездов TGV с сосредоточенной тягой. Распределенная тяга используется в поездах нового типа AGV. Поезда TGV способны двигаться со скоростями до 320 км/ч [3, с. 78].

Поезд TGV TMST (Eurostar), по существу, является удлинённым TGV, приспособленным для эксплуатации в Великобритании и Евротоннеле. В число различий входит меньший габарит подвижного состава, удовлетворяющий британским габаритным стандартам. По компоновке тяговых средств существует два типа таких составов: Eurostar Three Capitals («Три столицы») состоит из двух головных и восемнадцати пассажирских вагонов с двумя дополнительными моторными тележками; Eurostar North of London («Север Лондона») состоит из 14 пассажирских вагонов. Составы обоих типов состоят из двух частей, то есть в случае поломки или чрезвычайной ситуации в Евротоннеле половину поезда можно отцепить, чтобы та своим ходом покинула тоннель.

TGV Duplex был разработан, чтобы повысить объём перевозок без увеличения количества составов и вагонов в каждом поезде. Состав состоит из двух головных и восьми двухэтажных пассажирских вагонов. Максимальная скорость состава составляет 320 км/ч.

Китай, обладает наибольшей в мире сетью скоростных и высокоскоростных железных дорог, превышающей таковые в Японии и Европе вместе взятые.

CRH380A — это одна из основных серий китайских поездов для строящейся сети высокоскоростного движения с эксплуатационными скоростями до 380 км/ч. Поезд состоит из 8 вагонов с распределенной тягой [3, с. 164].

В Японии все высокоскоростные поезда имеют распределенную тягу. Поезда могут иметь до 16 вагонов [3, с. 112].

Основные технические характеристики рассмотренных выше высокоскоростных поездов развитых стран сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Технические характеристики высокоскоростных поездов передовых стран

Модель поезда	Оборудование		Вид тяги (распределенная или сосредоточенная), кол-во моторных вагонов		Максимальная мощность (кВт)	Макс. скорость (протестированная) (км/ч)		Макс. скорость на линии (км/ч)	Длина поезда (м)
Германия
ICE 1	Первое поколение		Сосредоточенная, 2 моторных вагона		9,600 (2*4,800)	328		280	358
ICE 2	Второе поколение		Сосредоточенная, 1 моторный вагон		4,800	310		250 (разрешено до 280)	205
ICE 3	Третье поколение		Распределенная		8,000 (16*500)	368		320 (разрешено до 330)	200
Франция
TGV Sud-Est	Первое поколение		Два головных и восемь пассажирских немоторных вагонов		постоянный ток 1,5 кВ — 3100 кВт переменный ток 15 кВ 16 2/3 Гц — 2800 кВт переменный ток 25 кВ 50 Гц — 6540 кВт	270 км/ч до модернизации 300 км/ч после модернизации			20
TGV TMST	Второе поколение		Распределенная		постоянный 675/750 В — 3400 кВт постоянный 3 кВ — 5700 кВт переменный 25 кВ 50 Гц — 12 240 кВт	334,7		300	394
TGV Duplex		Третье поколение	Два головных и восемь двухэтажных пассажирских немоторных вагонов	постоянный ток 1,5 кВ — 3680 кВт переменный ток 25 кВ 50 Гц — 8800 кВт				320	200
Китай
CRH-380A		Первое поколение	8 вагонов (6M2T) Распределенная	25 кВ, 50 Гц 9.6 МВт			380	350	200
Япония (Синкансэн)
Серия 500		Третье поколение	Распределенная	WMT204 64 x 285 кВт 18240			320	300	427
Серия N700		Третье поколение	Распределенная	305 кВт × 56 = 17080 кВт			300	270	427
Серия Е5		Третье поколение	Распределенная	9960 кВт			320	300	276

Как следует из таблицы 2, бо́льшая часть современных моделей высокоскоростных поездов имеют распределенную тягу, при этом компоновка схемы поезда по расположению моторных и немоторных вагонов различны. Так, например, в Японии высокоскоростные поезда изначально проектировались по схеме распределенной тяги, в то время как во Франции до сих пор успешно эксплуатируются поезда компоновки, близкой к классической — с высокоскоростными локомотивами и немоторными вагонами (TGV Sud-Est, TGV Duplex). На выбор схемы тяги поезда существенно влияют параметры продольного профиля трассы.

При небольших продольных уклонах трассы оба вида поездов (как с сосредоточенной, так и с распределенной тягой) имеют близкие динамические характеристики. Однако при необходимости преодолевать значительные уклоны (до 30–40⁰/₀₀), что характерно для скоростных линий, прокладываемых в местности со сложным рельефом, поезда с распределенной тягой обеспечивают существенно лучшую динамику разгона поезда за счет более рационального распределения по длине состава силы сцепления колес с рельсами. При использовании на таких участках скоростных поездов с локомотивной тягой могут применяться решения в виде постановки локомотивов с обеих сторон состава и даже в середине. Такая композиция характерна для составов немецких поездов серии ICE-1 и ICE-2.

Вопрос экономической эффективности при проектировании скоростных (высокоскоростных) линий требует рационального подхода к выбору параметров проектируемой линии с учетом тяговых характеристик планируемого к обращению подвижного состава.

Рассматривая возможное в средне- и долгосрочной перспективе сооружение высокоскоростных линий на территории Восточной Сибири, Дальнего Востока, других районов с трудными условиями проектирования вопрос выбора рациональных значений уклонов трассирования при прокладке или реконструкции линий, с учетом сложных топографических, геологических и иных местных условий, будет весьма актуальным. В этом случае одним их резервов увеличения уклонов трассирования может стать использование поездов с распределенной тягой, которые, при несколько большей стоимости подвижного состава, могут обеспечить экономию капитальных затрат, связанных с прокладкой трассы, за счет возможности преодоления бо́льших уклонов.

Литература:

1. Карасев С. В., Зарубина Т. Д. Особенности организации скоростного движения с учетом использования имеющейся железнодорожной инфраструктуры [Текст]/ Карасев С. В., Зарубина Т. Д. // Политранспортные системы материалы VIII, 2015. — 61–67.
2. Калидова А. Д. Особенности организации скоростного (высокоскоростного) движения с использованием существующей инфраструктуры [Текст] / А. Д. Калидова // Научные исследования: от теории к практике, 2015. — № 5 (6). — С. 229–231.
3. Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: сб. науч. ст. [на рус. и англ. яз.] / Петерб. гос. ун-т путей сообщ. — СПб.: ПГУПС.
4. Вып. 4 / ред. Ю. П. Бороненко. — 2007. — 195 с.
5. Технические особенности высокоскоростного электропоезда Velaro Rus. Техника железных дорог — 2009. — № 1 (5). — С. 37–49.
6. Подробная информация о ICE [Электронный ресурс]. www.hochgeschwindigkeitszuege.com