Перспективи розвитку високошвидкісного руху на залізницях України

Локомотив-інформ | Статті 1004 просмотр 30.03.2018, 15:50

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.