CC BY
12УДК 656.21
С. В. Карасев, А. Д. Калидова
Метод экспресс-оценки потребности изменения плана железнодорожных линий скоростного движения в зависимости от типа подвижного состава
Поступила 12.02.2020
Рецензирование 27.02.2020 Принята к печати 19.03.2020
Развитие скоростного и высокоскоростного движения на сети железных дорог РФ является одной из перспективных задач стратегического развития как ОАО «РЖД», так и государства. На основании зарубежного опыта и условий эксплуатации высокоскоростные магистрали, как правило, представляют собой специализированные выделенные линии. Скоростное движение чаще всего организуется на модернизированных железнодорожных линиях. При этом конструкция плана трассы ориентирована на возможность развития поездами максимально высоких скоростей. В плане это требует минимизации количества круговых кривых, а при их наличии - использования кривых большого радиуса. Подобные условия приводят к увеличению необходимых капиталовложений в сооружение магистралей, в ряде случаев увеличивают объемы работ и продолжительность строительства, снижают экономическую эффективность организации скоростного и высокоскоростного движения.
В качестве одного из эффективных решений данной проблемы рассматривается возможность использования подвижного состава с системой наклона кузовов вагонов в круговых кривых ^¡Шпд-системой). Таким образом, сокращение объема и стоимости работ по сооружению плана трассы будет обеспечиваться за счет использования более дорогостоящего подвижного состава, что может быть особенно эффективно при относительно небольших размерах движения таких поездов. Предлагается метод для экспресс-оценки возможности применения круговых кривых различных радиусов на железнодорожных линиях, предназначенных для скоростного и высокоскоростного движения, при использовании поездов с системой наклона кузовов вагонов. Метод позволяет определять возможную скорость движения поезда при прохождении кривой с учетом величины возвышения наружного рельса и угла наклона кузова. Метод может использоваться на предпроектном этапе при обосновании типа планируемого к обращению подвижного состава, а также параметров круговых кривых плана трассы при организации скоростного или высокоскоростного движения.
Ключевые слова: скоростное движение, высокоскоростные магистрали, поезда с наклонным кузовом, план трассы, круговые кривые, повышение скорости.
Одной из разновидностей лимитирующих элементов трассы, препятствующих повышению скоростей движения при организации скоростного (высокоскоростного) движения, является наличие круговых кривых малого радиуса [1, 2].
При прохождении поездом круговой кривой возникает дополнительное давление колес на наружную рельсовую нить. Кроме того, появляется центробежное ускорение, которое не только снижает стабильность работы экипажа, но и плохо воспринимается пассажирами.
Устройство возвышения наружного рельса в кривой позволяет обеспечить более равномерный вертикальный износ рельсов обеих нитей, а также повысить комфорт пассажиров при прохождении поездом кривых малого радиуса [3, 4]. Необходимость повышения скорости движения приводит к потребности
* Например, для поезда «Сапсан» при максимальной скорости движения 200 км/ч радиус круговой кривой составляет 1 800 м.
*
увеличения радиуса круговых кривых* с частичным перетрассированием существующей линии.
Увеличение скорости движения при условии минимизации переустройства круговых кривых возможно за счет использования подвижного состава с системой наклона кузова, так называемой йШ^-системой (рис. 1) [4-6].
Таким образом, имеется зависимость между объемом и стоимостью сооружения или реконструкции круговых кривых и типом подвижного состава.
Для скоростных пассажирских перевозок могут использоваться два типа подвижного состава:
а) поезда с обычными пассажирскими вагонами (без возможности наклона кузова в кривой);
Рис. 1. Подвижной состав, оборудованный tilting-системой
Рис. 2. Итальянский
б) пассажирские поезда с так называемой tilting-системой (см. рис. 1).
Скоростные поезда с tilting-системой - это поезда, вагоны которых оборудованы механизмом наклона кузова, позволяющим проходить кривые в плане с большей скоростью при одинаковых величинах радиуса и возвышения наружного рельса (рис. 2) [4, 6, 7].
Такие поезда активно эксплуатируются во многих странах мира, в том числе в России. Например, поезд с распределенной тягой «Аллегро» и поезд с сосредоточенной тягой «Стриж», состоящий из отечественного локомотива ЭП20 и испанских вагонов Talgo [8].
Первые подобные разработки вводились в эксплуатацию в 70-е гг. XX в. в Японии. Однако на том этапе технология не получила широкого распространения по причине технической сложности реализации, высокой стоимости подвижного состава и незначительного эффекта от их использования на новых высокоскоростных линиях с благоприятным планом пути [9, 10].
высокоскоростной поезд
В зависимости от технологических и конструктивных особенностей вагонов с tilting-системой наклон кузова вагонов может осуществляться как принудительно, так и произвольно (пассивная система наклона) [9, 11]. При пассивной («маятниковой», pendolino) технологии наклон кузовов вагонов происходит под действием центробежной силы. При активной технологии применяется система датчиков и гидравлические или электрические устройства наклона, которые управляются специальным микропроцессором.
В настоящее время на высокоскоростных (скоростных) магистралях курсируют поезда с различными системами наклона кузова: Allegro (Франция), Pendolino (Италия), TalgoPendular (Испания), KiHa (Япония), ICE-T (Германия), а также поезда платформы Velaro немецкой компании Siemens [7].
Французский поезд Allegro - высокоскоростной электропоезд с распределенной тягой производства компании Alstom. Конструкция
поезда позволяет проходить кривые с произвольным наклоном кузова до 8°, что дает возможность нивелировать действие центробежной силы, обеспечивая высокий уровень комфорта пассажирам. Данный электропоезд может эксплуатироваться на линиях с постоянным или переменным током [7].
Немецкий поезд с распределенной тягой переменного тока ICE-T относится к поездам с принудительной системой наклона кузова вагонов. Предельный угол наклона равен 8°.
Испанский поезд Talgo 250 имеет маятниковую систему наклона кузова и сосредоточенную тягу. Уникальность данного поезда заключается в возможности его эксплуатации практически в любых условиях. Данный поезд характеризуется двойным питанием, как от переменного, так и от постоянного тока, также оснащен системой смены ширины колеи [7].
Эффективность и целесообразность применения подвижного состава с технологией наклона кузова тесно связаны с параметрами инфраструктуры железнодорожной линии, необходимым объемом капиталовложений в ее сооружение и эксплуатационными расходами по содержанию.
Исходя из этого необходимо оценить целесообразность применения подвижного состава с наклоном кузова, прежде всего при решении задачи увеличения скоростей движения на существующих магистралях. Такой способ организации пассажирских перевозок обеспечит ряд преимуществ:
- увеличение скорости движения при прохождении существующих кривых;
- сокращение расходов по организации скоростного движения за счет сокращения работ по перетрассированию существующей линии [9, 10].
Таким образом, можно следующим образом сформулировать задачу разработки методов технико-экономического сравнения двух возможных вариантов организации скоростного движения на существующих линиях, а также сооружения новых линий для такого движения:
вариант 1 - масштабная реконструкция линии с изменением плана трассы за счет увеличения радиусов круговых кривых и последующим использованием конструктивно более простого и при прочих равных условиях
менее дорогого подвижного состава (либо новое строительство линии в целом или отдельных ее участков с использованием круговых кривых больших радиусов);
вариант 2 - сокращение объемов и стоимости работ по реконструкции плана пути, сокращение объема и стоимости нового строительства за счет применения подвижного состава с системой наклона кузова [4].
Для соблюдения корректных условий сравнения вариантов необходимо обеспечить близкие по величине значения времени нахождения скоростного поезда в пути на рассматриваемом маршруте, тарифы и другие условия перевозки.
Критерием выбора рационального варианта при отсутствии между ними принципиальных отличий, кроме капитальных затрат и эксплуатационных расходов, могут являться приведенные затраты, определяемые с учетом технических и эксплуатационных характеристик вариантов [9].
В первом варианте капитальные затраты будут рассчитываться по формуле
%К1= Щ.л + ^П.с + (1)
где КрлЛ - затраты на реконструкцию линии в зависимости от варианта ее развития; ^П.с - затраты на приобретение подвижного состава традиционной конструкции, без наклона кузова; К1р.м - дополнительные затраты на создание инфраструктуры для технического обслуживания и ремонта подвижного состава.
Величину дополнительных затрат на создание системы технического обслуживания можно представить в виде функциональной зависимости
4и = /М), (2)
где I - вариант организации скоростного (высокоскоростного) движения; Рп - потребный парк поездов для освоения рассматриваемого пассажиропотока.
Величина Рп рассчитывается следующим образом:
Рп = ПП у,д), (3)
где П - рассматриваемая величина пассажиропотока; V - вместимость подвижного состава; 2 - продолжительность оборота с учетом графика движения поездов.
Для определения величины капитальных затрат на реконструкцию линии в зависимости
от рассматриваемого варианта организации можно использовать формулу
^р.л = ^ИССО + ^СП + ^СЦБ + ^пр, (4)
где ^иссо - расходы на реконструкцию искусственных сооружений; ^сп - расходы, связанные с реконструкцией пути и земляного полотна; ^сцб - расходы на средства СЦБ и связи; ^пр - прочие расходы на развитие линии.
В частности, в прочие дополнительные расходы необходимо включить затраты на реконструкцию пассажирских устройств.
Во втором варианте (при использовании подвижного состава с наклонным кузовом) общие затраты на организацию скоростного движения составят
.л + ^п.с + (5)
Можно предположить, что во втором варианте расходы на реконструкцию плана пути будут существенно меньше за счет исключения или сокращения объема реконструкции (строительства) круговых кривых малых радиусов на перегонах, а также в пределах раздельных пунктов, по которым планируется безостановочный пропуск поездов.
Эксплуатационные расходы в зависимости от выбранного варианта организации движения можно рассчитать по следующей формуле:
Э( = Эпроб ( + ЭТО,Р ( + Эсод.тр (, (6)
где Эпр0б ( - расходы, связанные с движением поездов; Это,р ( - расходы на техническое обслуживание и ремонт подвижного состава; Эсод.Тр ( - расходы по содержанию инфраструктуры трассы.
Таким образом,
Э( = Эзав ( + Энез (, (7)
где Эзав ( - расходы, не зависящие от размеров движения (на содержание инфраструктуры);
Э
расходы, зависящие от размеров дви-
жения (на ТО и ремонт подвижного состава).
Сравнение приведенных затрат по вариантам использования подвижного состава различного типа позволяет обосновать решение, имеющее большую эффективность.
Таким образом, на основании приведенных выше формул можно говорить об условно постоянных расходах, связанных с организацией скоростного (высокоскоростного) движения. Более детальное обоснование выбора варианта
развития линии необходимо связать с уровнем пассажиропотока на данном направлении. При незначительной загрузке линии пассажирским движением целесообразно использовать более дорогой подвижной состав (состав с наклонным кузовом) с целью исключения затрат, связанных с реконструкцией линии, по которой организовано смешанное движение поездов.
Для того чтобы определить положительный эффект от использования подвижного состава с наклонным кузовом, необходимо связать требуемый объем переустройства плана пути, который будет зависеть от существующих и необходимых радиусов круговых кривых, с ограничениями скорости движения подвижного состава в кривой [12].
Данная зависимость описывается следующей эмпирической формулой, связывающей скорость утах, радиус кривой Я и возвышение наружного рельса И [4]:
к = 12,5-
Д
163а.
(8)
В данной формуле также учитывается наличие остаточного непогашенного ускорения (а = 0,7 м/с2), которое не вызывает у пассажиров чувства дискомфорта.
Использование вагонов с наклонным кузовом обеспечивает смещение центра масс подвижного состава в направлении центра круговой кривой, т. е. система наклона кузова выполняет ту же функцию, что и возвышение наружного рельса и может рассматриваться в качестве «фиктивного» возвышения наружного рельса к^ОЗВ^ Получаемый эффект от наклона кузова можно оценить на основе схемы, приведенной на рис. 3:
к = кфизквт + кфозв = 5 ^(а' + а), (9) где - расстояние между осями рельсов (1 600 мм для колеи 1520 мм).
Влияние наклона кузова вагона на допустимую скорость движения можно оценить по формуле (2), с использованием дополнительного «фиктивного» угла наклона а' к углу наклона кузова а, который образуется за счет фактического возвышения наружного рельса
кфозв (см. рис. 3).
При максимальном возвышении наружного рельса И, равном 150 мм, угол наклона от фактического возвышения кфозв составит 5,36°.
2
тах
а)
тФ [ |—г а' 1 м т_ }
-сила тяжести
4- Е
Рис. 3. Технологическое изображение работы Шй^-системы при прохождении круговой кривой
малого радиуса: а - технологическая схема наклона кузова вагона; б - геометрическая интерпретация технологии наклона кузова вагона
Для оценки эффективности применения подвижного состава с наклонным кузовом
необходимо определить радиус Я, по которому поезд может проследовать с заданной скоростью:
Я = 12,5-
. —-. (10)
Stg(a + a') + 115 v 7
Для определения эффекта от использования подвижного состава с tiling-системой был определен необходимый радиус R круговой кривой при использовании обычного подвижного состава и подвижного состава с наклонным кузовом (табл. 1). При расчете радиуса круговой кривой использовалась сумма фиктивного и фактического возвышения, обозначаемая как h'.
В скоростном движении в ближайшей перспективе можно предположить возможность использования электропоездов типа ЭС1 «Ласточка» (160 км/ч, без системы наклона кузова) [4]. Необходимые радиусы круговых кривых приведены в табл. 1. Минимальный радиус кривой для скорости 145 км/ч составляет 1 000 м.
Необходимые радиусы, с учетом возможности устройства максимального возвышения наружного рельса, а также для вариантов использования поездов с системой наклона кузовов представлены в табл. 2. Использование подвижного состава с системой наклона кузова, как следует из таблицы, существенно уменьшает потребный радиус круговых кривых. Так, суммарный эффект от устройства возвышения наружного рельса и применения
Таблица 1
Допустимые скорости движения по железнодорожным путям электропоезда ЭС1 «Ласточка», км/ч
Прямая Радиус кривых, м
1 000 900 800 700 600 500 400 350 300
160 145 130 130 125 105 105 95 85 80
Таблица 2
Сравнительные характеристики необходимых радиусов круговых кривых в зависимости
от вида скоростного подвижного состава
h, мм Vmax, км/ч R, м h\ мм а',° Vmax, км/ч R, м
Использование обычных вагонов Использование вагонов с tilting-системой
150 100 472 321 6 100 287
380 8 253
150 1 061 321 6 150 645
380 8 568
200 1 887 321 6 200 1 147
380 8 1 010
250 2 948 321 6 250 1 792
380 8 1 578
подвижного состава с наклонным кузовом при скорости 150 км/ч приведет к сокращению потребного минимального радиуса до величины 560-650 м.
На основании полученных расчетов была построена диаграмма зависимости необходимого радиуса круговой кривой от угла наклона подвижного состава в кривой, представленная на рис. 4.
Для оценки практической эффективности применения скоростных поездов с системой наклона кузова был рассмотрен реальный железнодорожный участок Н—Н, на котором, в соответствии с Транспортной стратегией Российской Федерации [13, 14], в перспективе предусматривается организация скоростного движения. С учетом того что применение данного метода предполагается на предпроектном этапе, анализ существующего плана трассы выполнен с использованием общедоступных спутниковых снимков высокого разрешения. Существующий радиус круговых кривых определен графическим методом. Круговые кривые, как отмечалось выше, могут ограничивать скорость движения как на перегонах, так и в пределах раздельных пунктов (при условии безостановочного
пропуска). При этом переустройство плана станций с увеличением радиуса имеющихся круговых кривых в большинстве случаев будет связано с весьма существенным объемом и стоимостью работ [8, 12, 15, 16].
Далее приводятся результаты оценки влияния использования подвижного состава с наклонным кузовом на необходимость переустройства круговых кривых на ряде реальных станций участка Н—Н. На рис. 5 приведена круговая кривая в четной горловине станции Е, на рис. 6 - на перегоне И—П.
Радиус круговой кривой 953 м. Расчет по формуле (10) показывает, что допустимая скорость движения поезда по данной кривой при использовании подвижного состава с наклонным кузовом составит до 167 км/ч (в данном случае, поскольку речь идет о круговых кривых, не учитываются возможные ограничения скорости по другим элементам путевого развития).
Для перегона И-П с наличием круговой кривой радиусом 857 м (см. рис. 6) максимальная скорость при использовании подвижного состава с наклонным кузовом составит 158 км/ч. Таким образом, в обоих рассмотренных случаях возможна реализация достаточно
й о в
и рик
й о в о
г
у
&
с
у
и
ади
Р
3000
2500
2000
1500
1000
500
0 2 4 6
Угол дополнительного наклона подвижного состава в кривой,
Скорость: 100 км/ч -
200 км/ч —
150 км/ч 250 км/ч
Рис. 4. Диаграмма зависимости необходимого радиуса круговой кривой от угла наклона
подвижного состава в кривой
0
8
О
Рис. 5. Круговая кривая в четной горловине станции Е
Рис. 6. Круговая кривая на перегоне И-П
высокой скорости движения без перетрассирования круговых кривых с увеличением их радиуса за счет принятия обоснованных решений по используемому в скоростном движении подвижному составу.
Таким образом, предлагаемый метод дает возможность быстрого ориентировочного расчета допустимой скорости движения по круговым кривым с учетом возможностей использования подвижного состава с наклонным кузовом. Предлагаемый метод расчета будет иметь некоторую погрешность, связан-
ную с конструкцией подвешивания кузова вагона и другими факторами. Следует отметить, что речь идет о предпроектном этапе технико-экономического обоснования целесообразности использования подвижного состава с наклонным кузовом, по результатам которого при проектировании линии для организации скоростного (высокоскоростного) движения рекомендуется использовать взаимосвязь между видом используемого подвижного состава и объемом работ по ее реконструкции (строительству).
Библиографический список
1. Калидова А. Д. Анализ возможностей совмещения скоростного и обычного движения с использованием существующей инфраструктуры // Традиционная и инновационная наука : история, современное состояние, перспективы : сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. / под ред. А. А. Сукиасяна. Уфа, 2016. Ч. 2. С. 52-55.
2. Калидова А. Д. Варианты организации скоростного и высокоскоростного движения поездов на территориях с низкой плотностью населения линий // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы VII Междунар. науч.-практ. конф., Иркутск : в 2 т. Иркутск : ИрГУПС, 2016. Т. 2. С. 260-263.
3. Дмитренко А. В. Эффективные пути развития устройств инфраструктуры железнодорожного транспорта на перспективу // Инфраструктурные отрасли экономики: проблемы и перспективы развития : сб. материалов Третьей Науч.-практ. конф. (Новосибирск, 17 дек. 2013 г. ). Новосибирск, 2013. С. 88-91.
4. Карасев С. В., Зарубина Т. Д. Особенности организации скоростного движения с учетом использования имеющейся железнодорожной инфраструктуры // Политранспортные системы : материалы VIII Междунар. науч.-техн. конф. в рамках года науки Россия - ЕС «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке». Новосибирск, 2015. С. 61-67.
5. Миронов В. С., Руденко Т. А. Радиусы круговых кривых для скоростных железных дорог при использовании вагонов с наклоном кузова // Вестник транспорта Поволжья. 2014. № 3 (45). С. 4450.
6. Бекер К., Нетзель А. Система наклона кузовов вагонов поезда TalgoPendular // Железные дороги мира. 2005. № 4. С. 39-41.
7. Подвижной состав XXI века : идеи, требования, проекты : сб. науч. ст. СПб. : ПГУПС, 2003. 218 с.
8. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. Сооружения и устройства. Подвижной состав. Организация перевозок. (Обобщение отечественного и зарубежного опыта). СПб. : Информационный центр «Выбор», 2003. Т. 2. 448 с.
9. Калидова А. Д. Проектные решения, направленные на сокращение капиталовложений при организации скоростного движения // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. 2018. Т. 1. С. 517-520.
10. Масловская Е. М. Обоснование технических параметров железнодорожных линий при организации скоростного движения : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.22.08. Гомель, 2003. 23 с.
11. Алексеева С. В. Выбор условно-оптимальными методами радиусов железнодорожных кривых при введении скоростного движения пассажирских поездов / Российский университет транспорта (МИИТ). М., 1996. 12 с. Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 31.07.1996 № 6045-жд1996.
12. Турбин И. В., Афанасьева Л. М. Увеличение радиусов смежных кривых при реконструкции под скоростное движение пассажирских поездов // Транспортное строительство. 2001. № 2. С. 10-12.
13. Стратегия развития холдинга «РЖД» на период до 2030 года // ОАО «РЖД» : офиц. сайт. URL: https://old-doc.rzd.ru/doc/public/ru?STRUCTURE_ID=704&layer_id=5104&id=6396 (дата обращения: 09.01.2020).
14. Стратегия инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года (Белая книга ОАО «РЖД»). М., 2007. 54 с.
15. Калидова А. Д., Карасев С. В. Факторы развития высокоскоростного и скоростного движения с учетом обоснованности использования зарубежных технологий // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы VII Междунар. науч.-практ. конф., Иркутск : в 2 т. Иркутск : ИрГУПС, 2017. Т. 1. С. 177-180.
16. Шульман Д. О. Обоснование этапности формирования перспективной сети высокоскоростных железнодорожных магистралей : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.06. СПб., 2015. 147 с.
S. V. Karasev, A. D. Kalidova
Rapid Assessment Method of the Need to Change the Plan of Railway Speed Lines Depending
on the Rolling Stock Type
Abstract. Development of high-speed and high-speed traffic on the Russian Federation network of railways is one of the promising tasks of strategic development, both Russian Railways and the state. At the same time, based on foreign experience and operating conditions, high-speed highways are usually specialized dedicated lines. High-speed traffic is most often organized on modernized railway lines. At the same time the structure of the route plan is oriented to the possibility of trains developing the highest speeds. In plan view, this requires minimizing the number of circular curves and, if available, using long radius curves. Such conditions lead to an increase in the necessary investments in the construction of highways, in some cases increase the volume of works and the duration of construction; reduce the economic efficiency of the organization of high-speed and high-speed traffic.
The possibility of using rolling stock with car body tilting system in circular curves (tilting system) is considered as one of the effective solutions to this problem. Thus, the reduction in the volume and cost of the
construction of the route plan will be achieved through the use of more expensive rolling stock, which can be particularly effective in the relatively small size of such trains. A method is proposed for rapid evaluation of the possibility of using circular curves of different radii on railway lines intended for high-speed and high-speed traffic, when using trains with a system of inclination of car bodies. Method makes it possible to determine possible speed of train movement at passage of curve taking into account value of external rail elevation and angle of body inclination. The method can be used at a predesign stage at justification of the rolling stock type and also parameters of circular curves of the plan of the route planned to the address at the organization of the high-speed (high-speed) movement.
Key words: high-speed traffic; high-speed main lines; sloped-body trains; route plan; circular curves; speed increase.
Карасев Сергей Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Железнодорожные станции и узлы» СГУПС. E-mail: [email protected]
Калидова Александра Дмитриевна - кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Железнодорожные станции и узлы» СГУПС. E-mail: [email protected]
