Перспективи розвитку високошвидкісного руху на залізницях України

Д. В. Бобир, доцент, А. Є. Десяк, аспірант, Ю. Г. Козік, аспірант, кафедри «Локомотиви», Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. А. Лазаряна

журнал «Локомотив-інформ» 3-4 (129-130) 2017

Інтеграція України в ЄС створює передумови до значного росту обсягів паса­жирських і вантажних перевезень. За цих умов до транспорту пред’являються принципово нові вимоги. Радикальним заходом, що забезпечує внутрішні й міжнародні пасажирські перевезення, є створення швидкісної мережі залізничних магістралей з виходом на європейську мережу і країни СНД.

Для вирішення проблеми впровадження в Україні швидкісного руху поїздів необхідний системний підхід, який включає аналіз світового досвіду, дослідження передумов до організації високошвидкісно­го руху поїздів в Україні, способи стикування вітчизняної мережі залізниць з європейською, проек­тування високошвидкісних магі­стралей, що передбачає розробку вимог та нормативів щодо про­ектування плану та поздовжнього профілю [1].

Також проблемою розвитку ви­сокошвидкісного транспорту є те, що майже вся інфраструктура та рухомий склад залишилися в спадок ще з радянських часів. Тому вся залізнична галузь Укра­їни морально застаріла та потре­бує глобального оновлення, яке полягає в:

— реконструкції колії та контактної мережі; — модернізації, або оновленні всього парку рухомого складу;

— повній заміні пристроїв сиг­налізації, централізації та бло­кування на більш сучасні, що призначені для швидкісного руху;

— заміні моделі організації руху вантажних та пасажирських по­їздів.

Якщо Україна прагне інтеграції в транспортну систему Європи, то залізничний транспорт має відповідати європейським стан­дартам щодо комфорту, надійнос­ті та безпеки.

Такі провідні країни як Німеччина, Франція, Італія, Іспанія, Ки­тай та Японія для підвищення швидкості руху і комфорту паса­жирів активно застосовують по­їзди на пневмопідвішуванні з при­мусовим нахилом кузова в кривих (рис. 1). Це дає можливість значно знизити дію відцентрового при­скорення на пасажирів у кривих ділянках колії та вібрації рухомого складу при високих швидкостях.

Поперечне відцентрове при­скорення, яке діє на рухомий склад та пасажирів збільшується пропорційно квадрату швидко­сті та зменшується пропорційно радіусу кривої. Також відцентро­ве прискорення створює силу, яка притискає рухомий склад до зовнішньої рейки.

При занадто великих значеннях цієї сили, в рейці можуть виникнути великі напруження, які призведуть до згину, зсуву, зламу рейки та в кін­цевому випадку сходу та аварії поїзда. Пасажири та локомотивна бригада також відчувають дію від­центрової сили, яка намагається відкинути їх від центру кривої до бокової стінки вагона. Цей фак­тор створює значний дискомфорт під час поїздки. Частково дію від­центрової сили знижують за до­помогою підвищення зовнішньої рейки в кривих ділянках колії. При цьому деяка частина відцентрової сили, що діє на пасажирів компен­сується.

Якщо у кривій ділянці встанови­ти рейкові нитки на одному рівні, то відцентрова сила, складаючись з вагою екіпажу, буде утворювати рівнодіючу силу, яка може відхо­дити до зовнішньої рейкової нит­ки. Ця сила викликає:

— посилений знос бокової по­верхні зовнішньої рейки;

— відбої зовнішньої рейки;

— неприємні відчуття у пасажирів внаслідок незгашеного приско­рення.

Максимальне підвищення зо­внішньої рейки в Україні складає 150 мм. З дозволу Укрзалізниці максимальне підвищення може складати більше 150 мм, але це призведе до нерівномірного зно­су рейок і дискомфорту пасажирів при низькій швидкості.

Проте, не завжди вистачає підвищення зовнішньої рейки для підвищення швидкості руху в кривій. Це пов’язано з тим, що підвищення зовнішньої рейки розраховане для швидкостей ру­ху вантажних поїздів, які, зазви­чай, рухаються зі швидкістю до 80 км/год.

Особливо ця проблема ак­туальна в Україні, оскільки для впровадження швидкісного руху мінімальні радіуси кривих мають складати близько 4000–5000 м, а на залізничних лініях Украї­ни є радіуси набагато менші (від 250–300 м). Збільшення радіусів кривих є складним технологічним процесом, дорогим та певною мі­рою інколи і неможливим, у зв’язку з щільною забудовою населених пунктів та залізничної інфра­структури. Тому рухомий склад із примусовим нахилом кузова має вирішити проблему реаліза­ції швидкісного руху на території України.

На сучасних швидкісних по­їздах розрізняють три основні системи нахилу кузова в кривих: пасивну, активну й активно-па­сивну.

В пасивних системах нахилу (рис. 2) кузов підвішений анало­гічно маятнику, із центром пово­роту в точці ЦП. Точка підвісу ку­зова обирається вище центру ваги ЦВ. Під час руху в кривій центр ваги під дією відцентрової сили зміщується назовні, забезпечую­чи необхідний кут нахилу кузова. Кут нахилу пасивної системи може складати до 3–5°. В такому випад­ку компенсується значна частина відцентрової сили, а швидкість в кривих може бути підвищена на 14% [2].

В активних системах (рис. 3) нахил кузова виконується за до­помогою спеціальних пристро­їв. Як силовий привід механіз му примусового нахилу кузова застосовуються гідравлічні, пнев­матичні, електрогідравлічні та електромеханічні системи. Для за­безпечення коректної роботи сис­теми нахилу на рухомому складі встановлено низку датчиків, які в залежності від швидкості, радіуса кривої та підвищення зовніш­ньої рейки визначають оптималь­ний кут нахилу поїзда. Зазвичай кут нахилу активних систем скла­дає до 8–10°, що дає змогу під­вищити швидкість проходження кривої до 25–30% [2].

Активно-пасивна система на­хилу кузова може працювати як активна, так і як пасивна система нахилу в залежності від швидкості та необхідного кута нахилу кузова. Якщо необхідно кузов повернути на кут до 3–5°, то система працює як пасивна. Якщо необхідно вста­новити більший кут нахилу, то сис­тема починає працювати як актив­на. Перевагою пасивної системи нахилу є те, що не потрібно затра­чувати енергію на нахил кузова.

Збільшення швидкості руху вимагає більшого дотримання критеріїв безпеки руху. Особли­во це стосується рухомого скла­ду із примусовим нахилом кузова в кривих. В світовій практиці вико­ристовують такі критерії безпеки руху:

— вертикальне прискорення, що виникає при русі поїзда по кри­вій ділянці поздовжнього про­ філю колії, значення якого не має перевищувати 0,2 м/с2;

— поздовжнє прискорення, пов’язане з процесами гальмуван­ня і розгону, значення якого не має перевищувати 1,0 м/с2, при службовому гальмуванні;

— горизонтальне незгашене при­скорення, що виникає при русі по кривим ділянкам колії у пла­ні, значення якого не має пере­вищувати 0,7 м/с2;

— повне прискорення, що діє на пасажира, значення якого не має перевищувати 2,0 м/с2;

— вертикальне прискорення, що виникає у кузові пасажирсько­го вагону від коливань та діє на пасажира, значення якого не має перевищувати 3,5 м/с2;

— критерій безпеки руху по пруж­ному відтисненню рейки.

Критерій, який більшою мірою впливає на безпеку руху пасажи­рів поїзда з примусовим нахилом кузова — це критерій комфорта­бельності, тобто критерій безпеки руху по горизонтальному незгаше­ному прискоренню. Воно збіль­шується пропорційно квадрату швидкості та зменшується пропо­рційно радіусу кривої.

Але чому ж саме цей критерій розглядається з точки зору умови комфортабельності? Досліджен­нями встановлено, що незгашене прискорення в межах 0,4–0,8 м/с2 людина переносить задовільно, а 1 м/с2 — задовільно лише при небагаторазовому та нетрива­лому впливі. Завдяки висновкам учених, тепер у якості вимірювача відчуттів людини допускається не тільки прискорення, але й темп його зміни у часі [3].

За умовою комфортабельності, рухомий склад без нахилу кузова в кривій ділянці колії радіусом 1000 м і підвищенням зовнішньої рейки 100 мм може розвивати швидкість близько 130 км/год, як зображено на рис. 4.

Зважаючи на розрахункову схе­му зображену на рис. 5, на екіпаж, який рухається в кривій, в загаль­ному випадку діють дві основні сили: сила тяжіння і відцентрова сила, яка залежить від швидкості та радіуса кривої. Відцентрова си­ла, аналогічно до відцентрового прискорення, збільшується про­порційно квадрату швидкості та зменшується пропорційно радіу­су кривої.

Для максимального комфорту пасажирів, рівнодіючий вектор сили тяжіння та відцентрової си­ли має бути чітко перпендикуляр­ним до підлоги вагона. В такому випадку незгашене відцентрове прискорення буде рівне нулю. Однак, незгашене прискорення може бути 0,7 м/с2, а отже, для комфорту пасажирів кут відхи­лення рівнодіючого вектора мо­же бути відмінним від нуля.

Кут відхилення рівнодіючого вектора сили при максимальній швидкості руху за умовою ком­фортабельності, буде допустимим кутом відхилення рівнодіючого вектора сили, при якому пасажи­ри почувають себе комфортно.

Врахувавши додатковий кут нахилу кузова шляхом додаван­ня його до кута відхилення рів­нодіючого вектора сили, можна отримати максимально допус­тиму відцентрову силу в кривій ділянці з примусовим нахилом кузова, а потім максимальну швидкість руху.

Варто зазначити, що додатко­вий кут нахилу кузова для мак­симального комфорту пасажи­рів, може бути як додатнім так і від’ємним. Від’ємний кут нахилу утворюється тоді, коли кузов на­хиляється у протилежну сторону від напрямку повороту. Це по­трібно в тому випадку, коли поїзд рухається з низькою швидкістю в кривій із достатньо високим під­вищенням зовнішньої рейки.

На рис. 6 побудований графік для визначення допустимої швид­кості руху в кривій з примусовим нахилом кузова. На графіку пря­ма 1 — допустима відцентрова сила без нахилу кузова, пряма 2 — допустима відцентрова сила із нахилом кузова, крива 3 — від­центрова сила, що діє на поїзд в кривій, пряма 4 — обмеження максимальної швидкості за умови, що рівнодіючий вектор сили чітко перпендикулярний до підлоги ку­зова вагона, пряма 5 — обмежен­ня максимальної швидкості із при­мусовим нахилом кузова за умови комфорту для пасажирів. Графік побудований для вихідних даних: швидкість руху V=0–250 км/год, радіус кривої R=1000 м, підвищен­ня зовнішньої рейки h=100 мм, максимальний кут нахилу рухомо­го складу β=8°.

Отже, визначальними фактора­ми для України, які впливають на швидкість руху поїздів, є радіуси кривих та підвищення зовнішньої рейки, яке розраховане для руху вантажних поїздів. Результати роз­рахунків вказують, що максимальна допустима швидкість руху поїзда без нахилу кузова в кривій R=1000 м складає 132 км/год, а з нахилом ку­зова 189 км/год. Збільшення швид­кості складає 57 км/год.

Проаналізувавши всі фактори, що впливають на швидкість руху та результати отриманих розра­хунків, можна зробити висновок, що такий тип рухомого складу до­цільно застосовувати на залізни­цях України. Це пов’язано з тим, що в Україні багато кривих малого радіусу, які недоцільно та певною мірою неможливо збільшити.

Також завдяки більш рівномір­ного витримування швидкісного режиму ведення поїзда можна отримати економію енергоресур­сів. Ввівши в експлуатацію рухо­мий склад із примусовим нахилом кузова на залізниці України, мож­ливо отримати приріст швидкості до 30% в кривій та до 10% на ді­лянці (в залежності від кількості кривих). Підвищення швидкості руху поїздів значно зміцнить по­зицію залізничного транспорту в транспортній системі України.