Аналітичний огляд вимог TSI до параметрів тягового рухомого складу

Відповідно до статті 1 директиви 96/48 / EG умови здійснення інтероперабельності транс'європейської високошвидкісної залізничної мережі поширюються на планування, будівництво, реконструкцію, відповідно, переоснащення, і експлуатацію пристроїв інфраструктури та рухомого складу, які забезпечують працездатність даної мережі і повинні бути прийняті в експлуатацію після вступу даної директиви в силу.

Згідно TSI 2008/232 / ЄС [1] для рухомого складу, документ застосовується до наступних класів рухомого складу, оціненого як trainsets (неподільний в послузі), або як поодинокі, в межах визначених формувань:

Клас 1 - рухомий склад, що має найбільшу швидкість, що дорівнює або більше ніж 250 км / год.

Клас 2 - рухомий склад, що має найбільшу швидкість принаймні 190 км / год, але менше ніж 250 км / год.

В даний час TSI є основними розпорядчими документами, які стосуються не тільки системи високошвидкісного сполучення, а й системи звичайних залізниць.

Як будь-яка система нормативних документів, TSI 2008/232 / ЄС, як би вони до цього не прагнули, не можуть відповісти на всі питання і вирішити всі завдання.

Метою TSI є не змушувати, але рекомендувати. До речі, саме тому вони містять безліч винятків і застережень.

Необхідно сприймати TSI як засіб для полегшення гармонізації роботи залізничних систем Європи, ніж як якийсь непорушний закон.

Саме тому TSI забезпечують проходження різних технічних нормативів МСЗ.

Для опису технічних особливостей рухомого складу необхідно провести класифікацію його різних складових елементів.

Виділимо наступні класи складових елементів:

- структура і механічні частини;

- елементи, пов'язані з взаємодією вагона з рейками і габаритами;

- елементи, пов'язані з гальмуванням;

- елементи, пов'язані з інформуванням пасажирів і комунікацією;

- елементи, пов'язані з умовами зовнішнього середовища;

- елементи, пов'язані з захистом;

- елементи, пов'язані з рухом і електроустаткуванням;

- елементи, пов'язані з обслуговуванням.

Поряд зі складовими елементами рухомого складу, TSI містить також дії, які необхідно зробити при взаємодії з іншими підсистемами:

- інфраструктура (наприклад: мінімальний радіус кривих);

- енергозабезпечення (наприклад, електричний гальмо з рекуперацією енергії);

- контроль управління і сигналізація (наприклад: сигналізація в кабіні машиніста);

– експлуатація (наприклад: ідентифікація вагонів).

Важливо уточнити, що один складовий елемент може одночасно належати до різних класів.

Потяги можуть складатися з вагонів, класифікованих за наступними трьома принципами:

– зчленований поїзд або несочлененний;

– поїзд, здатний або не здатний нахилятися, маятниковий або НЕ маятниковий;

 поїзд одно- або дворівневий.

Насправді, не існує звичайних поїздів (локомотив і вагони), які в даний час здатні розвивати швидкість понад 200 км / год, за винятком «railjet» австрійських залізниць.

Йдеться про реверсивному поїзді, до складу якого входить один локомотив «Taurus» серії 1116 або 1216, з'єднаний зі складом з 7 вагонів, крайній з яких є вагоном з кабіною машиніста.

Цей склад розрахований для руху зі швидкістю до 230 км / год, але в даний час його швидкість обмежена 200 км / год.

Більш високі швидкості зазвичай досягаються шляхом включення до складу моторних вагонів.

В обох випадках спосіб пересування не уточнюється. На практиці є безліч прикладів руху поїздів з тепловозами на швидкості понад 200 км / год. Рекорд 220 км / год належить британському складу зтепловозом ICT-D, первісна швидкість якого 230 км / год, дуже швидко стала рівною 200 км / год.

Для підсистеми рухомого складу діють наступні основні показники:

- максимальне навантаження на колію;

- максимальна довжина поїзда;

- габарити транспортного засобу;

- електричні граничні значення транспортних засобів;

- механічні граничні значення транспортних засобів;

- граничні значення для зовнішніх шумів;

- граничні значення для зовнішніх електромагнітних завад;

- граничні значення для кондиціонерів;

- ознаки для перевезення інвалідів.

Додаткові основні показники:

- максимальні коливання тиску в тунелях;

- максимальні підйоми.

Проаналізуємо деякі основні показники підсистеми для рухомого складу.

Для того щоб обмежити створювану поїздом навантаження на вісь, навантаження колісної пари повинна бути якомога меншою.

Граничні значення статичного навантаження колісної пари для експлуатаційно-сумісних поїздів наведені в TSI «Інфраструктура».

Діючі на шлях зусилля засновані на граничних значеннях для підвищеного навантаження на шлях в результаті перевищення навантаження колісних пар.

Ці аспекти тісно пов'язані з TSI «Інфраструктура», в рамках якої визначається якість шляхів.

Потрібно мати на увазі, що граничне значення навантаження колісної пари також знижує значення мінімальної необхідної вироблення і споживання енергії.

Статичне навантаження q _o для приводний осі повинна бути дорівнює для транспортних засобів рухомого складу, які експлуатуються на шляхах спеціально побудованих для високошвидкісного сполучення зі швидкостями від 250 км / год:

– q _o ≤ 17 т при V _к > 250 км/год;

- q _o ≤ 18 т при V _к = 250 км / год (де V конструкційна швидкість).

Статичне навантаження Po для приводний осі не повинна перевищувати 17 т.

Для транспортних засобів рухомого складу, які експлуатуються на шляхах, перебудованих для високошвидкісного сполучення зі швидкістю 200 км / год застосовуються діючі на цих шляхах технічні правила, які повинні бути зареєстровані в реєстрі інфраструктури.

Для цих максимальних значень приймається допуск 2% для середнього навантаження колісної пари всього поїзда. Для кожної окремої колісної пари допускається максимальний допуск 4%.

Різниця статичного навантаження з двох сторін одного транспортного засобу рухомого складу не повинна перевищувати 6%.

Максимальне навантаження на вісь, додатково до основного показника, який відноситься до статичного навантаження на колісну пару, визначається максимальна динамічне навантаження.

Для транспортних засобів рухомого складу, які експлуатуються на трасах, спеціально побудованих для високошвидкісного сполучення зі швидкостями від 250 км / год максимальна вертикальне навантаження, що діє від коліс на рейок (динамічне навантаження колеса Q) визначається відповідно до даних таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 – Допустимі динамічні навантаження коліс на рейки залежно від швидкості руху

Високошвидкісні поїзди, призначені для експлуатаційно-сумісної мережі, складаються з неподільних в експлуатаційному режимі моторвагонних одиниць, які можуть використовуватися індивідуально або СПАР (багаторазова тяга).

Максимальна довжина складених таким чином поїздів не повинна перевищувати 400 м. При цьому приймається допуск 1% з метою поліпшити аеродинаміку голови і хвоста поїзда.

Для збереження можливості обслуговування вузлових станцій в мережі високошвидкісні потяги не повинні бути довшими платформ відповідних станцій на високошвидкісних і звичайних дільницях загальноєвропейської мережі.

Вибір відносної лінії рухомого складу повинен бути орієнтований на шляху, на яких передбачається використання рухомого складу. Необхідна для цього інформація визначається в регістрі інфраструктури.

Статична і динамічна міцність кузова транспортного засобу повинна забезпечувати необхідну безпеку для пасажирів і поїзної бригади. Кузов повинен надавати достатній захист також при зіткненнях з автомобілями, кам'яними брилами та інші не залізничними об'єктами.

Конструкція транспортних засобів повинна забезпечувати пасивну безпеку. Пасивна безпека призначена не для того, щоб відшкодовувати недостатню активну безпеку залізничної системи. Її завдання - доповнювати активну безпеку в разі настання подій, які не піддаються контролю з боку залізничної системи.

Рівень шуму в стаціонарному положенні.

Рівні шуму на станціях і в майстернях рухомого складу мають становити не більше 65 dB (A) при безперервному вимірі або 70 dB (A) при переривчастому вимірі.

Для цих значень приймаються наступні умови: вимірювання проводиться протягом 30 секунд у відкритому просторі на відстані 7, 5 м від середньої осі шляху, на висоті від 1, 2 до 3, 5 м.

Рівні шуму при високошвидкісних перевезеннях.

Рівень шуму, створюваного чинним поїздом, повинен складати при швидкості 250 км / год максимум 87 dB (A), при швидкості 300 км / год - максимум 91 dB (A) і при швидкості 320 км / год - максимум 92 dB (A) (лінійна інтерполяція для інших швидкостей).

Живлення поїздів струмом від підстанцій викликає більш-менш інтенсивні електромагнітні перешкоди як наслідок електричного струму (в контактній мережі і в рейках) і електромагнітного випромінювання. Перешкоди можуть також бути викликані електричним обладнанням, встановленим на борту поїзда.

Транспортні засоби рухомого складу повинні бути сконструйовані таким чином, щоб вони не викликали перешкод в рейкових електричних ланцюгах, пристроях рахунку осей і мережі телекомунікацій. Всі ознаки для обов'язкового дотримання потрібно вносити в реєстр інфраструктури.

Транспортні засоби рухомого складу повинні бути здатні почати рух, рухатися і зупинятися при максимальному підйомі на всіх шляхах, для яких вони призначені.

Максимальні підйоми на кожному шляху підлягають включенню до реєстру інфраструктури.

Для забезпечення гарної сумісності з іншим рухом середнє мінімальне прискорення на рівному шляху має становити:

- Від 0 до 40 км / год: 48 см / s2,

- Від 0 до 120 км / год: 32 см / s2,

- Від 0 до 160 км / год: 17 см / s2.

Залишковий прискорення на рівній трасі при максимальній робочій швидкості має становити мінімум 5 см / s2.

Для того щоб забезпечити високу виробничу готовність поїзної тяги, необхідно, щоб силове замикання не перевищувало такі значення:

- При рушанні з місця і при дуже повільній їзді: 25%,

- При швидкості 100 км / год: 25%,

- При швидкості 200 км / год: 17, 5%,

- При швидкості 300 км / год: 10%.

Для оптимального використання заданого силового замикання необхідно оснащувати експлуатаційно-сумісні транспортні одиниці протівобуксовочной системою.

Реалізація [1] повинна відповідати вимогу повної сумісності між рухомим складом і стаціонарними спорудами, включаючи інфраструктуру, енергетику і системи управління поїзда, СЦБ. Цей принцип діє для експлуатаційно-сумісної шляховій мережі, покритої умовами TSI, причому потрібно враховувати, що транспортні засоби рухомого складу повинні також бути підготовлені для можливого руху на існуючих національних мережах.

Отже, методи і фази реалізації для транспортних засобів рухомого складу орієнтуються:

- на прогрес в реалізації TSI інфраструктури, енергії та управління поїздом систем СЦБ;

- на плани звернення (робочі плани) рухомого складу, що покривають існуючі національні мережі.

Як інструменти щодо виконання вимоги сумісності та з метою обліку раніше названих умов використовуються регістри інфраструктури (TEN HS, загальноєвропейська високошвидкісна мережа), які створюються кожного разу для конкретної траси або маршруту і містять наступний набір ознак (основні показники, інтерфейси, наведені цифри щодо).

Попередній аналіз засвідчив те, що в світі на сьогодні відсутні електропоїзди, які цілком задовольняють вимогам вітчизняної інфраструктури та раціональної експлуатації рухомого складу. Зокрема, такі обмеження стосуються ширини і стану колії, напруги контактної мережі (наявності суміжних ділянок постійного і змінного струмів), перспектив локалізації виробництва в Україні і т.п.

У зв'язку з необхідністю оновлення електровозного парку залізниць України виникає необхідність визначення раціонального ряду потужностей електровозів. Найбільш важливими зовнішніми параметрами електровозів є - потужність Nн, сила тяги Fкн і швидкість Vн номінального режиму. Завдання визначення цих параметрів виникає в першу чергу при складанні технічних вимог, щодо нового електрорухомого складу.

Незважаючи на прийняті за останні роки заходи по оновленню верхньої будови колії, земляного полотна та рухомого складу, максимально дозволена швидкість руху пасажирських поїздів на залізницях залишається порівняно невисокою - 120 км / год (крім напрямків Київ - Харків і Київ - Дніпропетровськ з максимальною швидкістю руху 140 км / год). Маршрутна швидкість руху пасажирських поїздів на основних напрямках ще нижче (55 ÷ 65 км / год).

Радикальними заходами, які дадуть залізницям можливість зберегти передові позиції в сфері пасажирських перевезень є створення мережі швидкісних магістралей, яка забезпечить значне зростання обсягів залізничних перевезень, в тому числі за рахунок залучення пасажирів з інших видів транспорту. Це підтверджує і досвід Західної Європи, де завдяки підвищенню швидкості руху поїздів залізниці мають перевагу перед авто- та авіатранспортом на відстані 250 ÷ 500 км і на рівних конкурують з авіацією в діапазоні 500 ÷ 1000 км.

Звітні та прогнозовані дані, щодо обсягів перевезень пасажирів на основних залізничних напрямках представлені в таблиці 1.1.

Згідно [2] метою програми є:

- впровадження в 2005 ÷ 2015 роках швидкісного руху пасажирських поїздів на основних залізничних напрямках, які з'єднують м Київ з більшістю обласних центрів, Кримом і великими індустріальними регіонами країни;

- істотне підвищення провізної можливості залізничного транспорту в сфері пасажирських перевезень;

- скорочення часу перебування пасажирів у дорозі і забезпечення на цій основі задоволення потреб населення в здійсненні поїздок до місця роботи, навчання, лікування, спілкування, відпочинку, а також інших поїздок особистого характеру протягом однієї доби (як правило, в денний час);

- зменшення собівартості пасажирських перевезень та витрат суспільства на усунення наслідків роботи транспорту;

- створення конкурентного середовища на ринку транспортних послуг;

- забезпечення інтеграції залізниць України в європейську транспортну систему.

Таблиця 1.2 – Звітні та прогнозуємі дані відносно обсягу пасажироперевезень на основних напрямах в Україні, тис. на рік.

Для досягнення визначеної мети необхідно вирішити такі основне завдання:

- здійснити реконструкцію і модернізацію інфраструктури основних залізничних ліній, забезпечивши можливість пропуску пасажирських поїздів зі швидкістю до 200 км / год;

- забезпечити залізниці швидкісним рухомим складом;

- узгодити впровадження швидкісного руху пасажирських поїздів з топологією швидкісних і високошвидкісних перевезень на напрямку Європа - Азія, визначеному Організацією співробітництва залізниць (Бюлетень ОСЗ, в 2000 р).

Виходячи з передумов, зазначених вище, а також передових світових розробок, досвіду експлуатації та особливостей вітчизняної інфраструктури, було обрано найбільш раціональний варіант рухомого складу - двосистемних міжрегіональних пасажирський поїзд з розподіленою тягою з 9 вагонів.

На користь цього варіанту свідчить наступне:

- наявність на східних напрямках руху суміжних ділянок з постійним і змінним струмом. Це вимагає заміни локомотива і здійснення відповідних маневрових робіт, які призводить до втрат часу пасажирів (20 - 40 хв. На 1 заміну), додаткових витрат коштів на виконання маневрових робіт, утримання парку локомотивів та обслуговуючого персоналу;

- використання переваг платформи електропоїзди: така технологія дозволяє розмістити всі тягове обладнання (включаючи головні трансформатори і перетворювачі на GTO - тиристорах з водяним охолодженням) в підвагонними просторі поїзда, який при тій же довжині дозволяє збільшити на 20% кількість посадочних місць для пасажирів;

- переваги використання розподіленої тяги: моторвагонний варіант має меншу довжину поїзда і вищу експлуатаційну надійність, відрізняється поліпшеними динамічними (режими прискорення / гальмування) і тяговими характеристиками. Більшість світових виробників при проектуванні швидкісного рухомого складу для пасажирського рухомого складу використовують розподілену тягу.

Двосистемний електропоїзд для міжрегіональних пасажирських перевезень (далі - поїзд) призначений для швидких перевезень пасажирів у вагонах підвищеного комфорту, з максимальною експлуатаційною швидкістю до 160 км / год по залізницях України з шириною колії 1520 мм. на електрифікованих ділянках колії з постійним струмом напругою 3000 В і змінним струмом напругою 25 000 В, частотою 50 Гц.

Поїзд повинен бути пристосований для обслуговування перонів висотою 200 і 1100 мм. над рівнем головки рейок, а також придатний для перевезення осіб з обмеженими фізичними можливостями на інвалідних візках.

Слід зазначити, що склади з «примусовим нахилом кузова» останнім часом широко застосовується на європейських залізницях як основний засіб підвищення швидкості в пасажирському русі. Потяги Pendolino, які користуються найбільшим попитом, випускаються одним з провідних виробників залізничного рухомого складу - концерном Alstom (Франція, Італія). Максимальна швидкість поїздів Pendolino, цікавих для України, становить 220 км / год (існують рішення, здатні розвивати швидкість до 300 км / год). Зараз подібні склади знаходяться в регулярній експлуатації в Італії, Фінляндії, Великобританії, Словенії та Чехії. Польща і Румунія також розглядають можливість застосування цих поїздів на своїх залізницях.

Використання поїздів з «примусовим нахилом кузова» дозволить не тільки забезпечити підвищену швидкість руху, але і значно знизити витрати на модернізацію залізничної інфраструктури для досягнення необхідного рівня швидкості. Перевагою таких поїздів є і те, що вони відповідають сучасним вимогам до комфорту, енергоємності та безпеки, можуть використовуватися в різних системах енергопостачання, як змінного, так і постійного струму.

Керуючись концепцією державної цільової програми впровадження на залізницях швидкісного руху пасажирських поїздів на 2005 ÷ 2015 роки, були виявлені потенційні виробники даного типу рухомого складу, на підставі чого проведено порівняння їх моделей, яке представлено в таблиці 1.3.

Таблиці 1.3 – Порівняння близьких моделей рухомого складу різних виробників