Основные понятия высокоскоростного движения. Технические характеристики и инженерные решения высокоскоростных железных дорог

Экономическая и социальная эффективность ВСМ в масштабах государства, относительно малое отрицательное воздействие на окружающую среду в сравнении с другими видами транспорта склонили общественное мнение в развитых странах в пользу высокоскоростных железных дорог.

С учетом неоспоримых преимуществ ВСМ решения о сооружении таких линий приняты в качестве государственных программ во многих странах. В Европе эти планы вышли на межгосударственный уровень.

Однозначной, объективно существующей границы, определяющей зону высокоскоростного движения на железнодорожном транспорте, такой как, например, "звуковой барьер" в авиации 2\ не существует.

Еще в середине XX столетия к категории "высокоскоростного" на железнодорожном транспорте относили движение со скоростями 140 ... 160 км/ч. За последние 50 лет граница высокоскоростного движения поднялась к значению 200 км/ч. Эта величина, принятая в настоящее время во многих странах, в значительной мере носит конвенциональный и исторически сложившийся характер. Однако предпосылки к определению, пусть несколько размытой, зоны высокоскоростного движения все-таки имеются.

Для традиционной железнодорожной транспортной системы колесо-рельс при переходе скоростной границы 200 ... 250 км/ч наблюдается значительное увеличение сопротивления движению подвижного состава и, как следствие, рост энергетических затрат на тягу поезда.

Для скоростей движения выше 200 км/ч требуются иные технические нормы и более высокая, чем на обычных линиях, оснащенность стационарных устройств, инфраструктуры и подвижного состава, что приводит к росту капитальных затрат на строительство, стоимости подвижного состава и более высоким эксплуатационным расходам, что, однако, перекрывается высоким экономическим и социальным эффектом при массовых пассажирских перевозках.

Максимальные скорости движения поездов по ВСМ в коммерческой эксплуатации в зависимости от конкретных условий и проектных решений (конструктивных параметров линий) составляют 250... 350 км/ч. Это определяется расчетами и подтверждено опытом эксплуатации. При обеспечении заданного уровня безопасности и комфорта ВСМ экономически и социально более привлекательны в сравнении с другими видами транспорта, особенно при массовых перевозках пассажиров в дневных поездках на расстояния 400 ... 800 км в вагонах с местами для сидения и на 1700 ... 2500 км - в спальных вагонах ночных поездов.

Сегодня сложилась следующая градация скоростей в пассажирском движении:

до 140 ... 160 км/ч ~ движение поездов на обычных железных дорогах;

до 200 км/ч - скоростное движение поездов, как правило, на реконструированных линиях;

свыше 200 км/ч - высокоскоростное движение на специально построенных ВСМ.

Сравнение высокоскоростного железнодорожного, авиационного и автомобильного транспорта показывает, что при расстояниях порядка 400 ... 800 км высокоскоростные поезда, обеспечивая более высокий уровень комфорта и безопасности, предоставляют пассажиру и большую скорость передвижения (меньшее время в пути). Дополнительным удобством является и то, что поезда ВСМ отправляются и прибывают на вокзалы, расположенные в непосредственной близости от центров городов.

Опыт всех осуществленных проектов ВСМ в мире показал, что в транспортных коридорах после начала эксплуатации высокоскоростных поездов происходит перераспределение пассажиропотока в пользу высокоскоростного железнодорожного транспорта.

Чрезвычайно важным является то, что ВСМ по сравнению с авиа- и автотранспортом имеют самый низкий удельный выброс загрязнителей в окружающую среду, при равных пассажиропотоках занимают меньшие территории, чем это требуется для автострад и аэропортов.

Организация коммерческого движения поездов со скоростями более 200 км/ч с высоким уровнем безопасности и комфорта для регулярной перевозки большого количества людей, а в ряде случаев и доставки специальных грузов, потребовала создания новых технических средств железнодорожного транспорта.

Условно, с некоторой долей упрощения и приближения, можно выделить три основных концептуальных подхода к организации высокоскоростного движения.

Японская и испанская концепции предусматривают сооружение ВСМ, путевая (рельсовая) система которых полностью изолирована от остальной железнодорожной сети страны.

Французская концепция предполагает строительство новых ВСМ, входящих в общий состав сети, но предназначенных исключительно для высокоскоростного подвижного состава.

Итальянская и германская концепции заключаются в комплексной реконструкции железнодорожных направлений, при которой осуществляется строительство высокоскоростных участков и модернизация существующих линий, спрямление главных путей с целью организации скоростного и высокоскоростного движения.

Кратко остановимся на каждой из них.

В Японии в силу исторических причин и топографических условий железные дороги строились с узкой колеей - 1067 мм. ВСіМ в этой стране сооружаются с использованием так называемой "стефенсоновской" колеи 1435 мм. Они, за исключением специальных участков, получивших название "мини- Синкан-сэн"25, полностью изолированы от остальной железнодорожной сети.

Так же как и в Японии, в Испании рельсовая система ВСМ нормальной колеи 1435 мм отделена от общей сети железных дорог колеи 1668 мм.

Определенным отличием ситуации в этих странах при схожести концепции создания ВСМ является то, что в Испании на ВСМ выходят поезда типа Тальго (см. далее), вагоны которых имеют устройство колесных пар, позволяющее двигаться по пути с разной шириной колеи (1668/1435)26.

В Японии и Испании на ВСМ построены специальные станции, но в ряде случаев для высокоскоростного подвижного состава пути подведены к платформам существующих железнодорожных вокзалов.

Во Франции для высокоскоростного движения построены специальные магистрали. Поскольку ВСМ и сеть обычных железных дорог имеют одну и ту же колею 1435 мм, высокоскоростные поезда могут выходить на обычные линии, что увеличивает зону обслуживания. Однако подвижной состав обычных железных дорог никогда не заходит на высокоскоростные линии. Как правило, в крупных городах поезда ВСМ обслуживаются на существующих вокзалах, которые перед началом эксплуатации ВСМ подверглись реконструкции и расширению. Имеются также и новые станции, и вокзалы, сооруженные для ВСМ. Так, в пригороде Парижа на ВСМ впервые введен в эксплуатацию совмещенный вокзал - аэропорт Шарль де Голль Руасси, где осуществляется непосредственная пересадка пассажиров с поездов на самолеты и обратно.

В Италии и Германии на реконструированных железнодорожных направлениях осуществляется смешанная эксплуатация высокоскоростных и обычных пассажирских поездов, а также ускоренных грузовых поездов.

При организации высокоскоростного железнодорожного движения в этих “странах проводилась комплексная модернизация железнодорожных участков. Строились новые линии ВСМ, а также осуществлялась модернизация старых железных дорог данного коридора с устройством многочисленных соединений с участками ВСМ. В конечном итоге это позволило получить железнодорожные магистрали с тремя, четырьмя и иногда пятью путями, как правило, обезличенными; по некоторым из них на значительном протяжении можно осуществлять движение поездов со скоростями более 200 км/ч. Такие железнодорожные направления эксплуатационно гибки, позволяют в случае необходимости обеспечивать движение по всем путям в одном направлении.

При проектировании ВСМ в отличие от обычных железных дорог главной задачей стала трассировка линии с применением горизонтальных кривых больших радиусов-от 4 до 7 км. Исключение составляла первая высокоскоростная линия Токио-Осака (Япония), где минимальный радиус был принят равным 2,5 км.

В то же время в 60-е годы XX столетия был создан железнодорожный подвижной состав, который способен при высоких скоростях движения преодолевать уклоны значительно большей крутизны, чем это было принято на старых линиях. Так, например, на французских ВСМ максимальный уклон на затяжных подъемах принимается равным 35%о, на новых линиях в Германии - 40%о. Это позволяет уменьшить объем земляных работ при строительстве и в ряде случаев избежать на перевальных участках устройства дорогостоящих тоннелей. Радиус вертикальных кривых при сопряжении смежных элементов профиля на ВСМ колеблется от 15 до 30 км. Максимальное возвышение наружного рельса составляет 125 ... 180 мм, что в сочетании с относительно большими радиусами кривых не создает дискомфорта для пассажиров при движении поездов с максимальной скоростью.

В настоящее время наметилось несколько принципиально отличных подходов к созданию железнодорожного пути для ВСМ.

В Японии на первой в мире ВСМ Токио-Осака был уложен бесстыковой путь из рельсов 53,3 кг/пог. м (позже замененных на рельсы массой 60 кг/пог.м) на железобетонных шпалах на щебеночном балласте и на земляном полотне. Большие затраты на содержание пути традиционной конструкции при высоких скоростях движения предопределили дальнейший выбор японских специалистов - использование жестких (плитных) оснований вместо балластной призмы и практически полный отказ от земляного полотна на новых’ линиях ВСМ. К этому решению подтолкнуло также то, что на новых ВСМ Японии доля пути на участках с искусственными сооружениями приближалась к 100%.

Во Франции после анализа японского опыта была принята конструкция главных путей ВСМ, предусматривающая укладку бесстыкового пути из рельсов массой 60,8 кг/пог.м на шпальнобалластном основании на земляном полотне. При этом учитывались два решающих достоинства балластного варианта по сравнению с плитным: значительно меньшая цена самой конструкции

(на участках с преобладанием земляного полотна) и больший запас устойчивости пути против поперечного сдвига от воздействия подвижного состава.

Принимались во внимание и недостатки плитного основания на земляном полотне, которые проявились в Японии, в частности, дороговизна такой конструкции, трудности устранения геометрических отклонений пути (хотя они и меньше по величине), отсутствие отлаженной технологии укладки пути, неопределенность его поведения на слабых грунтах.

Многолетний опыт эксплуатации французской ВСМ Па-риж—Лион подтвердил высокие эксплуатационные качества и надежность пути на балласте. Он уложен и на других ВСМ Франции, предназначенных для движения поездов со скоростями до 350 км/ч.

В Германии на первых линиях ВСМ предпочтение отдавалось пути на земляном полотне с балластной призмой. Однако позднее, когда возникла проблема строительства спрямляющих ходов с большим числом тоннелей и других искусственных сооружений, были проведены исследования и испытания пути на жестком основании. В результате было признано целесообразным применение верхнего строения японского типа с некоторыми коррективами немецких специалистов, принятыми в соответствии с местными условиями.

На первой испанской ВСМ Мадрид-Севилья применена конструкция пути, близкая к французской.

Топографические условия в районах первых перспективных ВСМ России близки к западноевропейским, поэтому можно считать целесообразным применение балластного пути на земляном полотне с использованием современной технологии уплотнения насыпей.

Из-за необходимости обеспечения более прямой трассы и обязательного устройства развязок с другими видами транспорта в разном уровне на высокоскоростных линиях строится большее, чем на обычных линиях, количество искусственных сооружений.

Мосты, виадуки, путепроводы на ВСМ во избежание образования на подходах к ним б'-образных кривых устраиваются, как правило, двухпутными. Рельсы укладываются на шпальную решетку и балластный слой или на плитное основание. К искусственным сооружениям предъявляются особые требования в связи со специфическим характером динамических нагрузок, вибрационных и шумовых характеристик при высоких скоростях движения. В последние годы отдается предпочтение конструкциям из предварительно напряженного железобетона.

В первые годы эксплуатации тоннелей на ВСМ специалисты столкнулись с негативными последствиями ударных звуковых волн при проходе поездами тоннелей на больших скоростях. Это потребовало принятия мер по герметизации подвижного состава и устройства различных инженерных конструкций в виде решетчатых раструбов у порталов тоннелей, дополнительных вентиляционных штолен, воздушных камер и т.п., смягчающих фронт ударной волны перед поездом.

Раздельные пункты - станции, обгонные пункты и диспетчерские посты - в значительной мере определяют уровень обеспечения жизнедеятельности высокоскоростных и скоростных железнодорожных магистралей.

Особенностью японского и испанского вариантов, как отмечалось выше, является полная рельсовая автономность ВСМ от обычных железных дорог. Это потребовало на всем протяжении ВСМ сооружения новых промежуточных пассажирских станций с полным комплексом устройств. Для обеспечения удобной пересадки пассажиров с поездов обычных линий на высокоскоростные и обратно в Японии и Испании вновь сооружаемые станции совмещают на одной площадке со станциями обычных железных дорог.

Французский вариант предусматривает размещение на ВСМ только тех раздельных пунктов, которые необходимы для организации движения поездов. Пассажирские операции передаются на_ ближайшие обычные вокзальные комплексы, на которые по специально построенным соединительным путям заходит часть высокоскоростных поездов. Кроме раздельных пунктов с путевым развитием, в среднем через 22-24 км размещаются диспетчерские посты с укладкой двух съездов между главными путями для возможности перевода движения с одного пути на другой.

Итальянский и германский варианты В СМ также предполагают использование существующих железнодорожных станций, но, как правило, расширенных и реконструированных, ?,

Стрелочные переводы являются важнейшим элементом путевого развития раздельных пунктов. Проектирование и строительство ВСМ послужило мощным толчком к разработке новых типов стрелочных переводов, в том числе и таких, которые обеспечивают высокую скорость движения как по прямому, так и по отклоненному направлению.

Упомянутая ранее генеральная стратегия трассирования ВСМ по кратчайшим направлениям с устройством соединительных ответвлений для захода части высокоскоростных поездов на крупные пассажирские станции обычных линий стимулировала французских специалистов к разработке, производству и широтному применению пологих стрелочных переводов с крестовинами марки 1/65, допускающих максимальную скорость движения на боковой путь до 220 км/ч. На ВСМ Париж-Лион из 136 стрелочных переводов 87 имеют конструкцию с подвижными элементами крестовины марки 1/65 или 1/46.

В Германии используются несколько типов стрелочных переводов для скоростного и высокоскоростного движения, среди них - безостряковый с двумя передвижными рельсами, допускающий скорость движения на боковой путь до 350 км/ч.

Системы текущего содержания стационарных устройств* применяемые на эксплуатируемых зарубежных ВСМ, позволяют десятилетиями поддерживать их должное состояние в условиях интенсивного движения поездов. Эти системы включают в себя технические средства контроля и диагностики; они обслуживаются производственными подразделениями, оснащенными высокопроизводительными машинами и механизмами, имеющими базы технического обслуживания вдоль линии, специальные контрольно-измерительные поезда (вагоны) для получения характеристик пути, контактной сети, устройств СЦБ и связи.

Создание высокоскоростных железнодорожных магистралей потребовало принципиально новых подходов к обеспечению безопасности функционирования железной дороги как комплексной системы.

Высокий уровень безопасности обеспечивается, в частности, проектными параметрами, полным обособлением ВСМ от других путей сообщения (устройством пересечений в разных уровнях с автомобильными дорогами, пешеходными переходами и т.д.). Полоса отчуждения ВСМ, как правило, изолирована, нахождение в ней посторонних людей, проникновение животных не допускается.

На ВСМ обеспечивается непрерывный мониторинг состояния земляного полотна и искусственных сооружений; ведется наблюдение за состоянием атмосферы, в частности, за силой и направлением ветра, интенсивностью выпадения осадков, в некоторых случаях осуществляется контроль сейсмической активности. Полученные данные передаются непосредственно в автоматизированные системы управления движением на высокоскоростной магистрали.

На ВСМ используются комплексные методы управления движением поездов на базе интегрированных систем сигнализации, централизации и блокировки. Применяются системы многозначной автоблокировки, как правило, без напольных сигналов, АЛСН27 с контролем скорости движения поезда и диспетчерская централизация управления стрелками и сигналами на раздельных пунктах.

В высокоскоростном движении применяется электрический подвижной состав. Предпринимались попытки использовать для тяги высокоскоростных поездов дизели и газотурбинные установки.

Высокоскоростные поезда представляют собой составы постоянного формирования с локомотивной или моторвагонной тягой. В ряде случаев для высокоскоростного движения используются сочлененные вагоны с промежуточными тележками. Подвижной состав ВСМ характеризуется низкой нагрузкой от колесных пар на рельсы - около 16 ... 18 т. В опытном японском поезде 5ТАИ21 удалось добиться нагрузки на ось всего 7,4 т.

Тяговый привод с инверторными преобразователями и асинхронными тяговыми электродвигателями предопределил успех в создании высокоскоростных поездов последних двух десятилетий. Прогресс в области новой элементной базы -появление в 80-е годы запираемых тиристоров (СТО) - позволил упростить схемы преобразователей, сократить число элементов и начать широкое использование на железнодорожном транспорте мощных, компактных, надежных и относительно дешевых асинхронных тяговых двигателей.

В конструкции подвижного состава все большее применение находит модульный (блочный) принцип размещения оборудования, что существенно снижает расходы по проектированию, изготовлению и эксплуатации подвижного состава.

ВСМ, как правило, электрифицированы на переменном токе промышленной частоты 50 или 60 Гц с напряжением в контактном проводе 25 кВ. Однако в ряде стран применяется переменный ток пониженной частоты 16 2/3 Гц и напряжение в контактной сети 15 кВ.

Для увеличения длины межподстанционных зон энергоснабжения на ВСМ часто используется система 2 х 25 кВ переменного тока с промежуточными автотрансформаторами.

Некоторые соединительные линии и участки входов ВСМ в железнодорожные узлы электрифицированы на постоянном токе напряжением 1,5 или 3,0 кВ.

Эксплуатация ВСМ с 1964 года по настоящее время показала, что в сравнении с другими видами транспорта высокоскоростные железные дороги являются самыми безопасными. За весь период существования специализированных ВСМ на них не произошло ни одной аварии, повлекшей гибель пассажиров.

Самый серьезный инцидент в истории скоростного (не высокоскоростного - прим, авт.) движения случился 3 июня 1998 года в Германии на реконструированной железнодорожной линии к северу от Ганновера в районе станции Эшеде, где на скорости около 200 км/ч сошел с рельсов поезд 1СЕ1. В катастрофе погибло 100 человек и ранено 88. Причиной трагедии стали недостатки системы диагностирования состояния колесных пар поезда, в результате чего произошло разрушение бандажа одного из колес и сход вагонов с рельсов.

Однако даже с учетом этой катастрофы статистическое сравнение ВСМ, авиационного и автомобильного транспорта, отнесенное к единице выполненной перевозочной работы (в пасс.-км), показывает, что ВСМ близки к абсолютно безопасному транспорту.

Использование электрической тяги для скоростного и высокоскоростного движения | Высокоскоростные железные дороги | Реализованные и перспективные проекты организации скоростного и высокоскоростного железнодорожного движения в разных странах