Компоновка поездов, пассажирских и служебных помещений вагонов. Системы жизнеобеспечения пассажиров и поездного персонала



В настоящее время предъявляются дос­таточно высокие требования к интерьерам самолетов, автобусов, пассажирских ваго­нов. Обустройство и дизайн пассажирских салонов, наряду с внешним видом транс­портных средств, во многом определяет имидж компании-перевозчика, влияет на ее конкурентоспособность. Для создания дизайн-проектов вагонов высокоскорост­ных поездов привлекаются ведущие фир­мы, специализирующиеся в области про­мышленного художественного конструи­рования, которые на всех этапах создания нового подвижного состава работают в тесном контакте с проектировщиками по­езда и заказчиками — железнодорожными компаниями, эксплуатирующими подвиж­ной состав.

К кабине машиниста высокоскоростного поезда предъявляются повышенные требо­вания с точки зрения рациональности раз­мещения оборудования и приборов управле­ния, эргономичности рабочего места маши­ниста, создания комфортных условий для работы локомотивной бригады. Кабины уп­равления этих поездов выполняются герме­тичными с индивидуальными (независимо от пассажирских салонов) установками кон­диционирования воздуха. В настоящее вре­мя на высокоскоростных магистралях Япо­нии, европейских стран ведение поезда осу­ществляется, как правило, машинистом без помощника. В силу этого в последних моде­лях поездов кресло машиниста устанавлива­ется по продольной оси кабины. На рис. 12.14 показан пример компоновки кабины маши­ниста современного высокоскоростного по­езда.

Практически везде перевозки в высоко­скоростных поездах осуществляются толь­ко на местах для сидения. Попытка созда­ния спальных мест в виде люкс-купе с рас­кладывающимися креслами-диванами была предпринята в Японии в 80-е годы в поез­дах серии 100, в одном из вагонов которо­го располагались купе, рассчитанные на од­ного, двух или трех пассажиров (рис. 12.15). Однако на коротких маршрутах это предло­жение оказалось практически не востребо­вано пассажирами. Сегодня исключением являются несколько протяженных марш­рутов в КНР, где эксплуатируются высоко­скоростные поезда со спальными вагона­ми.

К настоящему времени в мире в боль­шинстве компаний, осуществляющих высо­коскоростные перевозки, сложилась прак­тика разделения пассажирских салонов по уровню комфортности на два класса. Час­то, вместо терминов «первый» или «вто­рой» класс употребляют, видимо более де­мократичные по звучанию названия: «биз­нес-класс» (в Японии его называют «зеле­ный класс») и «экономический класс» или «туристический» — названия, пришедшие из авиации (имеется в виду разделение по уровню оснащенности, комфортности мебели в салонах). Компании-перевозчи-


Рис. 12.14. Кабина управления высокоскоростным поездом I'astech 360S. Япония. 2005 г.

Рис. 12.15. Двухместное и одноместное люкс-купе вагона высокоскоростного поезда серии 100. Япония. 80-е годы XX столетия
ки вводят также различные категории по уровню обслуживания (питание на местах, раздача бесплатной прессы и т.п.). Иногда в вагонах высокоскоростных поездов уст­раивается разделение на три категории — добавляется люкс-класс.

В первых моделях немецких и испанских высокоскоростных поездов более комфорт­ные места, как правило, располагались в изо­лированных купе для четырех-шести пасса­жиров. И сегодня в некоторых вагонах высо­коскоростных поездов устраиваются люкс- купе (рис. 12.16). Однако к настоящему времени в вагонах высокоскоростных поез­дов доминирующим стало размещение пас­сажирских кресел в открытых салонах ти­па самолетных. Для снижения неприятного туннельного эффекта длинного салона его иногда разделяют на две или три секции легкими декоративными перегородками в виде арок без дверей. Иногда в вагонах пер­вого класса с помощью легких перегоро­док, как правило, не доходящих до потол­ка, компонуются купе с различным числом мест, создающие ощущение обособления.

В вагонах японских высокоскоростных по­ездов, имеющих самую большую ширину ку­зова из всех эксплуатируемы в мире (око­ло 3380 мм) в экономическом классе в ряд размещаются пять кресел по схеме 2 + 3 — два кресла, проход, три кресла), а в сало­нах первого класса — четыре кресла (2 + 2) (рис. 12.17). В вагонах европейских высо­коскоростных поездов, ширина кузова ко­торых уже, чем у японских поездов Син- кансэн (от 2814 до 3020 мм), в салонах эко­номического класса (рис. 12.18) в ряд рас­полагают четыре кресла (2 + 2), а в салонах первого класса — три кресла (1 + 2). В ки­тайских высокоскоростных поездах, шири­на кузова которых больше, чем в европей­ских, в салонах второго класса размещают в ряд пять кресел. Также поступили и разра­ботчики последней модели высокоскоро­стного поезда компании Talgo «Avril» (Ис­пания), представленного общественности осенью 2012 г. За счет применения конст­рукции более коротких вагонов ширину кузова увеличили до 3200 мм и размести­ли во втором классе 5 кресел в ряд, при не­сколько уменьшенной ширине каждого си­дения, что, безусловно, снизило комфорт­ность проезда пассажиров.

В России пока воздерживаются от подоб­ного уплотнения. Ширина вагонов поезда «Сапсан» близка по ширине к вагонам по­ездов Синкансэн — 3257 мм, но в россий­ских вагонах, как бизнес-класса, так и эко­номического устанавливают в ряд четыре кресла.

Интересно отметить такой факт. В поез­дах серии 0 первого выпуска (1963 г.) в ва-

Рис. 12.16. Люкс-купе на четырех пассажиров в вагоне высокоскоростного поезда ЕТР500. Италия. 2008 г.

 

гонах, как первого, так и второго классов, ря­ды пассажирских кресел для удобства пасса­жиров размещались строго против окон в бо­ковых стенках. Поскольку расстояние между рядами кресел в первом классе было приня­то больше, чем во втором, пришлось спроек­тировать и изготовить для вагонов перво­го и второго класса разные кузова, отличаю­щиеся шириной окон и межоконных проме­жутков. Впоследствии, как в Японии, так и в других странах, пошли по пути унификации и практически полностью перешли на из­готовление вагонов с одинаковой шириной окон и межоконных промежутков. Это при­вело к тому, что в вагонах современных по­ездов (например, «Сапсан» и других) часть кресел устанавливается в простенке между окон, однако перевозчики считают оправ­данным дискомфорт для нескольких пасса­жиров в интересах упрощения производства вагонов.

Как правило, при оформлении салонов бизнес-класса придерживаются сдержанной,


Рис. 12.17. Интерьеры вагонов японских высокоскоростных поездов: а — салон первого класса вагона поезда серии 0 (ноль) — первого высокоскоростного поезда в мире. 1964 г.; б — экономического класса поезда серии 700. 1999 г.
строгой цветовой гаммы, используют доро­гие и тяжелые ткани, искусственную кожу. Хотя, безусловно, многое определяет и об­щее направление дизайна, принятое ком­панией (сравним фото на рис. 12.17 и 12.18). Хотя первая попытка организации в 80-е го­ды прошлого века в вагонах японских вы­сокоскоростных поездов серии 100 класса «Люкс» высокого комфорта оказалась не­удачной, в последние годы ряд операторов


Рис. 12.18. Высокоскоростной поезд TGV R — салон вагона экономического класса. Франция. 2005 г.
подвижного состава вновь проявили инте­рес к этой идее. Класс «/Нокс» с креслами, которые могут быть трансформированы в спальные места (всего не более 10—15 на состав) организованы в новых поездах, об­ращающихся в Италии и в КНР (рис. 12.19, 12.20}.

Внутренняя отделка вагона, как прави­ло, основана на модульной концепции с ис­пользованием скрытых от глаз пассажиров средств фиксации (крепления) элементов стен, оконных рам и т.п. Обычно крепле­ния включают в себя систему алюминие­вых и пластмассовых выступов, запанель- ных соединений, переходов между панеля­ми и перегородками, что позволяет произ­водить быструю и эффективную сборку с минимальным числом операций. Все отде­лочные материалы вагонов высокоскоро­стных поездов должны удовлетворять тре­бованиям пожарной безопасности, гигие­ны и санитарии.

Полки и стеллажи для багажа представ­ляют собой либо простые конструкции из легких металлов, закаленного стекла с раз­нообразной отделкой, либо отделения для багажа с подвижной крышкой-лотком са­молетного типа[8], так называемые полки «Боинг». Часто с каждой стороны вагона вблизи тамбура оборудуются специальные отделения (места) для багажа, вешалки для одежды. В последнее время проблема обеспечения сохранности вещей пассажи­ров заставила конструкторов переместить багажные стеллажи в центр салона, где ве­щи находятся под присмотром их владель­цев. Так сделано, например, в вагонах пос­ледней модификации поездов ICE, Герма­ния; TGV, Франция (рис. 12.21}.

Несмотря на то, что продолжительность поездки в высокоскоростных поездах ред­ко превышает 3,5—4 часа, компании-пере­возчики прилагают большие усилия по ор­ганизации питания для пассажиров, видя в этом и важный элемент поднятия имид­жа и возможность получения дополнитель­ных доходов.



Рис. 12.19. Вагон класса «Люкс» с креслами, трансформируемыми в спальные места в общем салоне высокоскоростного поезда «Зефир 380». Компания Bombardier для КНР. 2012 г.

 

Рис. 12.20. Четырехместное купе высокоскоростного поезда «Зефир 380». 2012 г.


 


Рис. 12.21. Полка для багажа в средней части салона вагона поезда TGV R. Франция. 2005 г.


 


На большинстве маршрутов сложилась следующая практика организации пита­ния в высокоскоростных поездах: пасса­жирам бизнес-классов, чаще всего, пред­лагают питание на местах, его стоимость обычно включена в тариф билета. Помимо этого для пассажиров всех классов в поез­дах, как правило, устраивают вагон-ресто­ран, иногда называют: «вагон-буфет», «ва­гон-бистро» (рис. 12.22, 12.23'), часто в ваго­нах высокоскоростных поездах размещают автоматы по продаже закусок и напитков, включая горячий кофе, чай.

В вагонах высокоскоростных поездов, как правило, предусмотрены специальные места для проезда пассажиров с ограничен­ной подвижностью. Для этого в пассажир­ском салоне одного или нескольких ваго­нов в районе входной двери устанавлива­ют специальные съемные кресла, а в полу устраивают анкерные крепления для ко­лясок инвалидов, что позволяет пассажи­рам с ограниченной подвижностью безо­пасно разместиться с должным комфортом (рис. 12.24).

В настоящее время на мировом рынке кре­сел, сидений, специальной мебели — полок, столиков и т.п. для транспортных средств, представлена продукция нескольких десят­ков специализированных фирм. Большин­ство крупных компаний, выпускающих пас­сажирский железнодорожный подвижной состав, отказались от собственного произ­водства, предпочитая осуществлять закуп­ки этих изделий у специализированных компаний.

Размеры кресел для поездов стандарти­зированы, что позволяет максимально вза­имно заменять их в пределах определенно­го набора, формируя интерьеры поездов. Кресла крепятся к полу и боковым стенам, почти всегда они имеют ножки, но про­странство под ними сохраняют по возмож­ности свободным для облегчения процесса уборки салона.

В большинстве случаев кресла оборуду­ют выдвижными столиками, укрепленны­ми на спинках. В зависимости от класса ва­гона кресла покрывают различными тка­нями, искусственной кожей, имеются при-



Рис. 12.22. Зам вагона-ресторана поезда серии ETR500. Италия. 2005 г.

 

Рис. 12.23. Буфетная стойка вагона-бистро высокоскоростного поезда TGV R. Франция. 2005 г.


 


Рис. 12.24. В салоне вагона высокоскоростного поезда 700Т пассажир в коляске, расположенной на специальном месте, оборудованном креплениями. Тайвань


 


 


меры использования натуральной кожи для кресел салонов первого класса. Все более широкое применение находят специальные, так называемые «антивандальные» ткани с металлической сеткой, которые невозмож­но разрезать ножом.

Несмотря на то, что практика дизайна мебели и аксессуаров для железнодорож­ных вагонов насчитывает около двух сто­летий, иногда случаются неудачные реше­ния с точки зрения эргономики, эстетичес­ких представлений, а в некоторых случаях, опасные исходя из возможного причине­ния травм пассажирами. В качестве приме­ра можно привести неудачную конструк­цию откидного столика в салонах вагонов туристического класса высокоскоростного поезда «Аллегро» (рис. 12.25}. На фото вид­но, что отделанные металлом заостренные откидывающиеся крышки столика опасны при посадке пассажира в кресло. Закругле­ние острых углов, придание им сглаженной формы, приближающейся к шарообразной, во многом ликвидировало бы этот недос­таток. Этот пример показывает, насколь­ко внимательно необходимо относиться к разработке интерьеров вагонов.

В вагонах скоростных и высокоскорост­ных поездов устанавливаются разнообраз­ные двери: обычной конструкции с защел­кивающимся замком, отделяющие пасса­жирские помещения от служебных и спе­циальные — герметичные, повышенной прочности с электрическим или пневмати­ческим приводом, особыми запорными ус­тройствами и микропроцессорными систе­мами управления. Такие двери, представ­ляющие собой сложную и высокоточную конструкцию, используются в качестве на­ружных в боковых и торцевых стенках ва­гонов. Как уже было отмечено, кузов ваго­на испытывает значительные аэродинами­ческие нагрузки в процессе движения по ВСМ, эти нагрузки воздействуют и на двер­ные устройства. В последние годы в качест­ве наружных дверей вагонов высокоскоро­стных поездов получили распространение так называемые плаг-двери[9]. Конструкция этих дверей при их закрытии сначала обес­печивает боковое перемещение до точного совмещения с дверным проемом, а затем — движение двери внутрь проема с опреде-



Рис. 12.25. Пример неудачного дизайнерского решения откидного столика — заостренные, отделанные металлом углы откидных элементов столешницы могут травмировать пассажиров


 

 


 



Рис. 12.26. Наружная дверь ваго­на поезда «Сапсан». 2011 г.


Рис. 12.27. Схематическое изображение ус­тройства наружных дверей вагона высо­коскоростного поезда 1СЕ1 с электропри­водом: 1 —узел замка; 2 — привод двери; 3 — поворотные петли; 4 — внутренний пульт управления с кнопками открытия и закрытия


 


ленным усилием, до плотного прилегания к стенке кузова. При открытии дверь снача­ла выходит наружу вагона, а затем отходит в сторону (рис. 12.26, 12.27). Двери откры­ваются и закрываются с помощью электри­ческих или пневматических приводов по команде машиниста, кондуктора или про­водников вагонов.

Учитывая, что в Европе на некоторых ВСМ используются низкие платформы, причем отличающиеся в разных странах по высо­те, конструкторам вагонов высокоскорост­ных поездов приходится в ряде случаев ус­траивать на входе в вагон внутренние лес­тницы для подъема с низких платформ. При этом для компенсации разницы в высо­те между платформами в разных странах, нижние ступени делают выдвигающимися с помощью электрического или пневмати­ческого привода. Входные двери вагонов высокоскоростных поездов, обращающиеся на международных маршрутах, приходит­ся оснащать выдвижными дополнительны­ми ступеньками (площадками) для ликви­дации большого зазора между краем кузова вагона и пассажирской платформой. Такая ситуация возможна, если отличаются габа­риты приближения строений железных до­рог разных стран, и при использовании на станциях одной страны высоких платформ, а на станции другой — низких. В качест­ве примера на рис. 12.28, приведена наруж­ная дверь вагона поезда «Аллегро», обраща­ющегося по маршруту Санкт-Петербург — Хельсинки. Финляндский вокзал в Северной столице России имеет высокие платформы (рис. 12.28, а) и здесь для безопасности пас­сажиров у входных дверей вагонов поезда «Аллегро» выдвигается ступенька (площад­ка). На вокзале в столице Финляндии поезд прибывает к низким платформам и эта пло­щадка не нужна, но необходима нижняя вы­движная ступенька (рис. 12.28, б).

Высокая скорость движения поездов заста­вила конструкторов обратить особое вни­мание на устройство безопасных и комфор­тных межвагонных переходов для пассажи­ров. Они должны быть герметичны, обес­печивать звуко- и теплоизоляцию, удобны для пассажиров всех категорий, включая инвалидов-колясочников, а также для об­служивающего персонала, пользующегося тележками для развозки еды, напитков и т.п. (рис. 12.29, 12.30).

В вагонах поездов ВСМ используются пол­ностью закрытые окна с безосколочными стеклами, заключенными в герметичные стеклопакеты, что предотвращает проник-



а                                                                                                       б
Рис. 12.28. Вагон высокоскоростного поезда «Аллегро»: а — с выдвинутой ступенькой (площадкой) наружной двери у высокой платформы вокзала в Санкт-Петербурге; б — со спущенной выдвинутой нижней ступенькой у низкой платформы вокзала в Хельсинки. 2012 г.

новение пыли и влаги в пространство меж­ду стеклами. В последнее время значитель­но ужесточились нормы МСЖД, опреде­ляющие прочность лобового остекления кабины машиниста. Для этих целей приме­няются многослойные закаленные стекла.

Системы жизнеобеспечения предназначе­ны для создания в пассажирских салонах и помещениях для поездной бригады ком­фортных условий для проезда и работы: поддержание в заданных пределах темпе­ратуры, влажности, давления и состава воз­духа, установленного уровня освещеннос­ти, бесперебойного функционирования ус­тройств водоснабжения и водоотведения.

Рис. 12.29. Внешний вид межвагонного перехода высокоскоростного поезда 1СЕ1. Германия. 1991 г.

В вагонах высокоскоростных поездов, как правило, используется принудитель­ная приточная общеобменная вентиляция мощностью не менее 1,2 кВт на вагон и сум­марной производительностью: летом — не


 

Рис. 12.30. Интерьер межвагонного перехода вы­сокоскоростного поезда ЕТР500. Италия. 2010 г. менее 5000 м3/ч, зимой — 1200 м3/ч. Работа установки автоматизирована и зависит от температуры воздуха в вагоне, которая кон­тролируется термодатчиками в пассажирс­ком помещении и в напорном воздуховоде.

В вагонах высокоскоростных поездов при­меняют одно- и двухканальные системы кондиционирования. Особенностью первых является то, что раздача подготовленно­го воздуха осуществляется по одному цен­тральному напорному воздуховоду. При двухканальной системе теплый и холод­ный воздух подаются в пассажирское поме­щение по раздельным каналам.

Классическими являются одноканальные системы кондиционирования воздуха, вклю­чающие в себя приточно-вытяжную венти­ляцию с возможностью подогрева воздуха, дополненную воздухоохладителем и систе­мой рециркуляции.

В отопительный сезон такие установки кондиционирования воздуха осуществля­ют приточно-вытяжную вентиляцию с по­догревом воздуха и рециркуляцией. Ле­том, при умеренной температуре окружа­ющей среды, они могут работать без тер­мообработки подаваемого в вагон воздуха, а при повышенной температуре включает­ся в работу воздухоохладитель. Чаще все­го воздухоохладителем является испари­тель холодильной машины, выполненный подобно воздухоподогревателю системы вентиляции и образующий с ним единый калориферный блок. В высокоскоростных поездах используются две системы кон­диционирования: традиционные для же­лезнодорожного транспорта, в установках которых применяются экологически чис­тые хладагенты, не содержащие хлора или фреона-12, или самолетного типа, где в ка­честве рабочего тела системы охлаждения используется воздух.

В вагонах высокоскоростных поездов ку­зов делается герметичным, а установки вентиляции и кондиционирования воздуха объединяются с системой защиты пассажи­ров от резких скачков давления наружного воздуха вблизи вагонов при встрече поездов на высокой скорости или при проходе тон­нелей.

С этим явлением впервые столкнулись японские инженеры при испытании про­тотипа высокоскоростного поезда и в пер­вый период эксплуатации ВСМ между То­кио и Осака. Резкие скачки давления возду­ха в пассажирских салонах при встрече двух поездов на высокой скорости или при вхо­де поезда в тоннель вызывали у пассажи­ров болезненные ощущения, даже кровоте­чения из носа и ушей. Потребовались боль­шие усилия конструкторов по доработке подвижного состава: прежде всего, герме­тизации пассажирских салонов и установ­ке автоматических клапанов в системе вен­тиляции, обеспечивающих во время рейса поддержание в пассажирских салонах не­большого избыточного давления воздуха.

Системы отопления, вентиляции и кон­диционирования воздуха высокоскорост­ных поездов оснащены устройствами уп­равления и регулирования на базе мик­ропроцессорной техники, включенными в общую структуру управления поездом. Благодаря этому они в состоянии, с одной стороны, обеспечить пассажирам высокий 31


уровень комфорта независимо от населен­ности вагона, а с другой — делают возмож­ной быструю передачу по поездной инфор­мационной шине сигнала о начале подъ­ема давления воздуха вне вагона, что вы­зывает срабатывание защиты.

Вагоны высокоскоростных поездов осна­щаются гигиеничными экологически чис­тыми туалетами, обязательно с замкнутой системой сбора отходов, что дает возмож­ность пользоваться туалетами и в период нахождения поездов на станциях. Наиболь­шее распространение получили вакуум­ные устройства сбора отходов (рис. 12.31} и конструкции с использованием для смы­ва жидких обеззараживающих химических реагентов. Сточные воды из туалетов и мо­ечных устройств буфетов или вагонов-рес­торанов собираются в герметичные емкос­ти, которые опорожняются и дезинфициру­ются на специальных автоматизированных и механизированных установках в депо пос­ле окончания рейса. В одном или двух ва­гонах поезда обязательно устройство туа­летов для пассажиров с ограниченной под­вижностью, имеющих большую площадь и снабженных дополнительными поручнями, позволяющими использовать коляску.

В систему жизнеобеспечения современно­го пассажирского вагона высокоскоростно­го поезда входят емкости для хранения за­пасов воды для технических нужд и питья с устройствами водоразбора, кипячения, по­догрева или охлаждения воды, а в некото­рых случаях — ее доочистки и обеззаражи­вания.

Создание оптимальных условий для про­езда требует эффективной и многофункци­ональной по назначению системы освеще­ния пассажирских салонов и служебных по­мещений. При ее проектировании прихо­дится решать ряд противоречивых задач. С одной стороны, уровень освещенности на пассажирских местах должен быть до­статочно высок для того, чтобы пассажиры имели возможность по желанию читать, пи­сать, работать на портативных компьюте­рах и т.п. Вместе с тем общая освещенность в салонах не должна быть чрезмерной, в поле зрения сидящих пассажиров необхо­димо исключить попадание ярких источни­ков света (нить накаливания лампы, отра­жатель зеркального рефлектора и т.д.), пос­кольку многие пассажиры предпочитают в пути отдых, сон. В пассажирских вагонах устраивается несколько независимых сис­тем освещения со своими светильниками и обособленной электропроводкой.

Обычная система общего освещения (нормальная рабочая) салонов, купе, слу­жебных помещений, тамбуров, межвагон­ных переходных устройств, как правило, имеет несколько режимов функциониро­вания: дневной, вечерний, ночной. Пере­вод из одного режима в другой может осу­ществляться как автоматически (борто­вым компьютером), в зависимости от уров­ня наружного освещения, так и в ручном режиме работниками поездной бригады.

Аварийная система освещения, действу­ющая от резервного источника питания (как правило, аккумуляторных батарей), обеспе­чивает достаточный уровень освещеннос­ти для передвижения по салону при любых обстоятельствах, в том числе и при необхо­димости экстренного выхода пассажиров из вагона в чрезвычайных ситуациях.

В салонах устраиваются общее рассеянное мягкое освещение с использованием све­тильников отраженного света (рис. 12.32} и индивидуальные точечные регулируемые источники света для каждого пассажира, ко­торые можно самостоятельно включать и отключать, независимо от времени суток (рис. 12.33}.

Строго индивидуально, на основании ди- зайн-проектов, расчетов и экспериментов подбирается освещение для служебных по­мещений, в первую очередь для кабины ма­шиниста, а также санитарных блоков, зоны тамбуров и переходных площадок.

В последние годы предпочтение отдает­ся экономичным люминесцентным, гало­геновым или светодиодным лампам, имею­щим сбалансированный спектральный со­став излучаемого света, выбранный в соот­ветствии с гигиеническими требованиями, а также исходя из концепции общего цвето­вого оформления салонов, тона обшивки стен, обивки кресел и т.д.


Рис. 12.31. Схематическое устройство вакуумного туалета высокоскоростного поезда ICE1 (а):

1 —унитаз; 2 — кнопка приведения в действие вакуумного туалета; 3 — подача воды под высоким давлением; 4 — сжатый воздух для привода в действие запорных клапанов; 5 — запорные клапаны;

6 — вакуумная труба, соединяющая унитаз с сифоном; 7 — соединение с вакуумным насосом; 8 — си­фон; 9 — сборный бак; 10 — патрубок для опорожнения сборного бака в депо; б — туалет для людей с ограниченной подвижностью


Важным элементом создания комфорт­ных условий поездки является информаци­онное обеспечение пассажиров. Через бор­товые компьютеры поезда на многофунк­циональных дисплеях по «бегущей строке» пассажирам передаются сведения о бли­жайших станциях, режиме движения поез­да, скорости в данный момент, прогноз пого­ды и т.п. [рис. 12.34). Получают все большее распространение информационные систе­мы, работающие в интерактивном режи­ме по индивидуальным запросам пассажи­ров. Эти устройства взаимодействуют с же­лезнодорожными сетями управления и мо­гут предоставлять пассажирам справки о станциях пересадок, расписании поездов и других видов транспорта, дают возмож­ность бронирования гостиниц и билетов для дальнейшей поездки и т.д.

Наряду с поездной громкоговорящей трансляцией, необходимой для передачи со­общений и объявлений, пассажирские мес­та в вагонах высокоскоростных поездов, как правило, оснащаются индивидуальными аудиоустройствами — микротелефонами, с помощью которых возможно прослушива­ние по выбору одной из нескольких развле­кательных радиопрограмм или звуковое со­провождение к видеофильмам, которые де­монстрируются на телевизионных монито­рах, размещенных в салоне в нескольких местах. В вагонах первого класса некоторых поездов применяются жидко-кристалличе­ские телевизионные экраны, вмонтирован­ные в спинки кресел предыдущего ряда.


Рис. 12.32. Освещение салона вагона с помощью светильников, расположенных за потолочными карнизами и за багажными полками. Высокоскоростной поезд «Сапсан». Германия для России. 2009 г.
В 90-х годах прошлого века в вагонах высо­коскоростных поездов часто устраивались кабины с телефонами-автоматами для меж­дугородной и международной связи, обыч­но с помощью систем связи стандарта GSM R. Быстрое распространение индивидуальной мобильной телефонной связи сделало по­добные телефоны-автоматы ненужными, в начале текущего столетия такие кабины на­чали демонтировать. Однако в последние годы кабины уже без телефонов-автоматов вновь начали устраивать в поездах дальне­го следования с целью создать условия для переговоров, не беспокоящих соседей по ва-



Рис. 12.33. Индивидуальные точечные светильники, размещенные в спинке кресла пассажира. Вагон высокоскоростного поезда TGV PSE (после реновации). Франция. 2005 г.

Рис. 12.34. Информационные указатели в пассажирских салонах: а — стрелочный указатель скорости в салонах вагонов первых поездов Синкансэн серии 0. 1964 г.; б — информационное табло в вагоне высокоскоростного поезда Velaro CRH 3 показывает: номер поезда, текущее время, номер вагона, скорость в данный момент. КНР. 2010 г.
гону. Все больше компаний-операторов ос­нащают вагоны высокоскоростных поездов устройствами обеспечения Wi-Fi связи для подключения компьютеров к сети Интернет. Все перечисленные усовершенствования со­здают комфортные условия для пассажи­ров, повышают конкурентоспособность вы­сокоскоростного транспорта.



Глава 13

Механическая часть высокоскоростного подвижного
состава: основные понятия и технические решения[10]


 


13.1. Динамика и взаимодей­ствие подвижного состава и пути. Аэродинамика подвиж­ного состава

Динамика подвижного состава изучает движение локомотивов, вагонов и поездов в зависимости от действующих на них сил и является частным разделом динамики ме­ханических систем. Движение подвижного состава определяется направлением и ско­ростью.

Направления поступательных и угловых перемещений отдельных тел рельсовых эки­пажей (кузова, тележек, колесных пар и т.п.) определяются по отношению к осям х, у, z (рис. 13.1), движущихся со скоростью эки­пажа, — инерционная система. Ось х на­правлена вперед по направлению движе­ния вдоль оси пути, осьу направлена попе­рек оси пути (обычно вправо), ось zнаправ­лена вертикально вниз.

Вращениям вокруг осей х, у, zсоответ­ствуют угловые перемещения. Колебания тел называют: по оси х — подергивание, по


 


vZ
Вторичное подвешивание
Рис. 13.1. Система координат железнодорожного экипажа, основные обозначения переме­щений и углов поворота
Первичное подвешивание

Продольный амортизатор ударов (поглощающий аппарат) Рельсовый путь


оси у — относ, по оси z — подпрыгивание. Повороты тел называют: вокруг оси х — бо­ковая качка, вокруг осиу — галопирование, вокруг оси z — виляние.

Характеристиками движения подвижно­го состава являются ускорения, скорости и перемещения отдельных тел экипажа во время движения вдоль пути. Тяговое, тор­мозное усилия, силы сопротивления и воз­действия на путь определяют эксплуатаци­онные свойства подвижного состава.

При изучении колебаний подвижного со­става их иногда разделяют на три группы: вертикальные — колебания в вертикаль­но-продольной плоскости по координатам z и <р; продольные — по координате х и по­перечные — по координатам у, 0, ф. Строго говоря, в силу специфики связей и асиммет­рии системы все эти колебания взаимно связаны, но опыт показывает, что многие важные выводы можно сделать, рассмат­ривая их отдельно.

Для исследования динамики подвижного состава составляют его механическую мо­дель из твердых тел в виде масс, соединен­ных с помощью жестких упругих и диссипа­тивных элементов. Жесткие элементы не допускают относительных линейных или угловых перемещений между телами в од­ном или нескольких направлениях. В уп­ругих элементах возникающие в них силы зависят от относительных перемещений, а в диссипативных элементах — от скоро­сти относительных перемещений. Зачас­тую применяются упруго-диссипативные элементы, силы в которых зависят как от взаимного перемещения, так и от скорости этого перемещения. Инерционные свойст­ва твердых тел характеризуются массами и моментами инерции.

Модель подвижного состава дополняется моделью пути, которая в зависимости от за­дачи может представлять путь в виде жест­кой поверхности, упругого основания или сложной конструкции, включающей рель­сы, шпалы и балласт.

Для анализа динамических процессов вы­сокоскоростного состава необходимо иметь модель внешних возмущений, обусловли­ваемых неровностями пути.

Далее, пользуясь методами механики, вы­полняют математическое описание моде­ли в виде дифференциальных уравнений движения. Для этого обычно использовал­ся принцип Даламбера или уравнения Лаг­ранжа И рода. Затем полученные уравне­ния интегрируются и определяются дина­мические показатели подвижного состава при различных скоростях движения. В на­стоящее время этот процесс автоматизиро­ван и существует ряд программных продук­тов, позволяющих создавать математичес­кие модели и проводить их исследования.

Взаимодействие колеса и рельса является ключевым в динамике подвижного состава, в нем заключается основное отличие от ди­намики других механических систем. Пра­вильно организованное взаимодействие ко­леса и рельса допускает высокие скорости. С другой стороны, неправильно сконструи­рованное и не обеспеченное в достаточной мере техническим обслуживанием и ремон­том, взаимодействие колеса и рельса может привести к быстрому износу элементов сис­темы и поставить под угрозу безопасность пассажиров.

Ходовые части скоростных вагонов ос­нащены колесными парами с колесами, жестко установленными на общей оси (рис. 13.2). Колесные пары с независимы­ми вращающими колесами в ограниченной мере используются, например, в вагонах типа «Talgo». Поверхность катания колеса обрабатывается так, что создается конус с углом у к оси колесной пары. Для ограниче­ния перемещений поверхность катания за­вершается гребнем (конусом с большим уг­лом а).

Поверхность катания новых колес харак­теризуется углом наклона к оси колесной пары, определяемым коничностью (отноше­ние приращения радиуса колеса к длине ра­бочей поверхности катания), или конуснос­тью (отношение приращения диаметра ко­леса к длине рабочей поверхности катания).

Для обычных вагонов колеи 1520 мм по­верхность катания, начиная от гребня вы­полняется с коничностью 1:20, а затем 1:7. Для скоростных вагонов колеи 1520 мм вблизи круга катания имеется меньшая ко-


Рис. 13.2. Колесная пара: 2L — расстояние между кругами катания колес; 2В — расстояние между серединами шеек осей; Ro— радиус колеса по кругу катания; у — угол наклона рабочей поверхности; а — угол наклона гребня
ничность 1:100, затем 1:20,1:7. У вагонов ко­леи 1435 мм коничность переменная и за­дается формулами или таблицей (профиль UIC-ORE). В процессе эксплуатации конич­ность поверхности катания уменьшается, а при больших износах приобретает отрица­тельное значение. Это вызывает необходи­мость обточки колес в эксплуатации для ис­правления их геометрии.

Железнодорожный путь состоит из двух рельсов, уложенных на шпалы с обеспече­нием ширины колеи (рис. 13.3). Рельсы на­клонены внутрь колеи под углом р к поверх­ности шпал так, чтобы их положение соот­ветствовало углу у профиля катания коле-

Рис. 13.3. Колея железнодорожного пути: р — угол подуклонки рельсов для колеи: 1520 мм уклон 1:20; для 1435 мм 1:40 (возможны 1:50 и 1:60)


 

са (так называемая «подуклонка»). Такое ус­тройство пути способствует предотвраще­нию вкатывания колеса гребнем на рельс, так как формирует нормальную реакцию в контакте колеса с рельсом, линия действия, которой, проходит через подошву рельса. При контакте стального колеса со стальным рельсом обеспечивается низкое сопротив­ление качению. Геометрия колесной пары математически описывается как двойной конус, что придает колесной паре уникаль­ное свойство самоустановки, т.е. обеспечи­вает самоцентрирование при движении в прямой (рис. 13.4). При отклонении направ­ления движения колесной пары, например, влево от направления рельсовой колеи, ле­вое колесо начинает катиться по кругу ка­тания с большим радиусом, а правое с мень­шим. В результате колесная пара разворачи­вается и возвращается к центру рельсовой колеи. При отклонении в другом направле­нии все происходит наоборот.

В кривой (рис. 13.5) при отклонении колес­ной пары относительно пути на величинуу наружное колесо катится с большим ради­усом R + уу и за каждый оборот оси прохо­дит большее расстояние, чем внутреннее колесо, что вызывает поворот колесной па­ры вслед за осевой линией пути.

Колесная пара с правильно выбранны­ми связями обладает также способностью компенсировать различия в диаметрах ко­лес, смещаясь в поперечном направлении.



  -1 Ф       г h --
  -------- .1        V-—---    
  ф   Р

Рис. 13.4. Самоцентрирование колесной пары при движении по прямому участку пути

 

   

»4-

1

1

1 .7 1 1 1 1 1

 

          1 .    
          1    
   

4

Середина | Л ширины ' колесной

пары

1 Осевая линия пути 1 1 1 1 1 и    

 

Рис. 13.5. Положение колесной пары в кривой: Rc— радиус кривой; у — отклонение колесной пары относительно оси пути


 


Однако эти возможности реализуются не всегда. Существует критическая скорость, при которой колесная пара теряет устой­чивость и начинает вилять.

Движение колесной пары прямолиней­но относительно пути только при опреде­ленных условиях. Граница устойчивости зависит от скорости движения, конуснос­ти, параметров связей колесной пары с ра­мой, массы, а в общем случае и от амплитуд колебаний. На рис. 13.6 показаны движе­ния колесной пары в случае асимптотичес­кой устойчивости (7), наличия предельно­го цикла (2) и неустойчивости (3).

Причина возникновения неустойчивости связана с силами крипа. Продольный крип возникает при качении деформируемого ко­леса по деформируемому рельсу. Под крипом понимают продольную деформацию или, что то же самое, относительную продоль­ную скорость скольжения в зоне контакта

с/х-Го^Ф V0-Q)T0

 

где dx — продольное перемещение колеса; rod<p — перемещение колеса вследствие чисто­го качения; v0— продольная скорость колеса; (ог0— скорость вследствие чистого качения.

Касательную реакцию называют силой крипа и определяют как

F = /c(£J;


б

Рис. 13.6. Поперечная устойчивость колесной пары: а — поперечное движение; б — траектории: 1 — области асимптотической устойчивости; 2 — предельный цикл; 3 — область неустойчивости

в линейной теории: где кх коэффициент продольного крипа, за­висящий от кривизны контактирующих поверх­ностей в точке контакта, нагрузки и упругих постоянных взаимодействующих тел.

Согласно линейной теории Ж. Калкера, при стационарном качении продольная Fx, поперечная Fсилы крипа, а также момент М2 сил поворотного крипа выражаются че­рез проекции на координатные оси скоро­стей скольжения в точках контакта и угло­вой скорости верчения, от отнесенных к ско­рости движения с помощью коэффициентов крипа кху, 1<^у, к^, определяемых по фор­мулам контактной теории упругости:

где ^у,                  — продольный, поперечный и

поворотный крипы соответственно.

Подробное вычисление этих сил приво­дится в работах Калкера, реализовано в компьютерной программе «Fastsim» и изу­чается в курсах динамики вагонов и локо­мотивов. Впервые на значение крипа при­менительно к движению железнодорожных экипажей было указано в работах Ф.В. Кар­тера, в которых было определено понятие продольного и поперечного крипа [51].

Силы крипа являются неконсервативны­ми, и за их счет часть энергии поступатель­ного движения рельсового экипажа может преобразовываться в энергию боковых ко­лебаний. Интенсивные боковые колебания могут привести к недопустимо большим нагрузкам на путь. Однако самым опасным будет возможность вкатывания гребня ко­леса на поверхность катания рельса при больших горизонтальных силах, прижима­ющих гребень к головке рельса, что может привести к сходу колесной пары с рельсов и крушению поезда. Определение крити­ческой скорости подвижного состава явля­ется чрезвычайно актуальным.

В области устойчивого движения пере­ходные процессы в системе экипаж—путь, вызванные случайными отклонениями пу­ти стремятся затухнуть. Движения механи­ческой системы считается устойчивым, ес­ли при малых возмущениях (например, при изменениях начальных условий) отклоне­ния возмущенного движения механичес­кой системы от ее невозмущенного движе­ния остаются малыми сколь угодно долго. Если отклонения при возмущенном дви­жении асимптотически стремятся к невоз­мущенному, то такое движение называется асимптотически устойчивым. Еще в 1960-е годы известные советские ученые В.А. Лаза- рян и М.Л. Коротенко [21] показали, что же­лезнодорожный подвижной состав необхо­димо конструировать с такими параметра­ми, чтобы уравнения его движения имели асимптотическую устойчивость нулевого решения. В таком случае в системе обеспе­чивается затухание колебаний, вызванных случайными неровностями пути. Так как условием отсутствия самовозбуждающих колебаний является устойчивое движение рельсового экипажа, то задача нахождения условий устойчивости является первейшей при конструировании ходовых частей вы­сокоскоростного подвижного состава.

Исследование условий устойчивости ди­намических систем связано с применени­ем теории устойчивости движения, создан­ной выдающимся русским ученым А.М. Ля­пуновым. Основная задача исследования ди­намики рельсового экипажа состоит в том, чтобы определить параметры движения по начальному состоянию и заданным действу­ющим силам. Движение рельсового экипажа описывается с помощью систем обыкновен­ных дифференциальных, зачастую нелиней­ных уравнений и задача динамики сводится к решению называемой в высшей матема­тике задачи Коши: интегрированию систе­мы дифференциальных уравнений движе­ния при заданных начальных условиях.

Многие годы о качестве рельсовых эки­пажей судили с помощью теоремы Ляпуно­ва об устойчивости по первому приближе­нию, т.е. с помощью линеаризованных урав­нений. Вместо применения трудоемких ме­тодов численного интегрирования вопрос сводился к применению (?/?-алгоритма оп­ределения собственных чисел матрицы.

Оценка устойчивости по первому прибли­жению оказывалась весьма простой и быст­рой:

- применялись хорошо разработанные методы решения известной в математике полной проблемы собственных значений;

- имелась возможность применения ме­тодов оптимизации и выбора параметров, обеспечивающих устойчивость подвижного состава.

Однако по мере появления возможности сопоставить данные теории и эксперимен­та стало очевидным, что систематическое использование данной теории затрудня­ется отсутствием эффективных критериев малости, как возмущений, так и нелиней­ностей. Для оценки хода высокоскорост­ных поездов необходимо исследование пе­реходных процессов и установившихся ав­токолебаний, а для этого необходимы ре­шения нелинейных уравнений движения и линеаризованными уравнениями обойтись не удается [44]. Для анализа устойчивости и автоколебаний нелинейных систем, кото­рыми и являются локомотивы и вагоны, су­щественным является анализ фазовых тра­екторий и предельных циклов. Автоколе­бательное движение локомотива или ва­гона может являться устойчивым, однако это будет устойчивость предельного цикла нелинейной системы. Для подвижного со­става наблюдается несколько предельных циклов. Зачастую устойчивые предельные циклы чередуются с неустойчивыми. Неко­торые предельные циклы характеризуют­ся малыми отклонениями (менее 1 мм), но могут иметься и предельные циклы, имею­щие физический смысл регулярных ударов гребней при набегании колеса на боковую грань головки рельса. Для правильного вы­бора конструкции рельсового экипажа ме­тодами математического моделирования определяют влияние упругих связей колес­ных пар с рамами тележек, конусности по­верхностей катания колес, моментов тре­ния и других характеристик тележек на ус­тойчивость движения.

Математические методы определения кри­тической скорости действующими в Россий­ской Федерации документами, регламенти­рующими конструирование и производст­во подвижного состава, не оговариваются; регламентируют только отношение крити­ческой скорости движения к конструкци­онной — не менее 1,1.

Требования к ходовым качествам. По­вышение скорости движения выше уже до­стигнутой вызывает необходимость ответа на вопрос: безопасно ли увеличение скоро­сти? Ведь метод проб и ошибок здесь не до­пустим!

Создатели нового подвижного состава ис­пользуют многолетний успешный опыт ра­боты железных дорог. Естественно предпо­ложить, что если существующий подвижной состав при достигнутых скоростях движе­ния успешно работает при известных пока­зателях ходовых качеств и воздействия на путь, то и новый подвижной состав на еще неизведанных скоростях будет работать ус­пешно, если показатели ходовых качеств и воздействия на путь будут лучше или, по крайней мере, не хуже уже достигнутых.

Оценка ходовых качеств высокоскорост­ного состава производится по основным по­казателям, прежде всего:

коэффициенту запаса устойчивости Кус колесной пары от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на го­ловку рельса;

показателям плавности хода в верти­кальном и поперечном направленияхwBи wr, а также ожидаемым уровням виброус­корений в заданных диапазонах частот и зависящим от них времени утомляемости;

коэффициенту вертикальной динами­ки Кав и рамной силе Нр;

вертикальным и горизонтальным ус­корениям ав и аГ;

коэффициенту запаса поперечной ус­тойчивости Куо от опрокидывания в кри­вой под действием боковых сил;

— степени сдемпфированности форм ко­лебаний;

-устойчивости от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на го­ловку рельса.

В ряде случаев при выяснении причин кру­шений и аварий поездов на головке рель­са в зоне катастрофы неоднократно обна­руживались ясно видимые следы (царапи­ны и даже борозды), которые начинались с внутренней стороны рельса и по диагона­ли переходили на внешнюю сторону, пока­зывая траекторию движения гребня коле­са после вкатывания на рельс. Непосред­ственной причиной схода является сочета­ние двух факторов: снижение давления на колесо в вертикальном направлении (так называемая «обезгрузка») и действие силы в поперечном направлении. Колесо может вползти своим гребнем на рельс только в том случае, когда равнодействующая сил, действующих на него, преодолевает силу трения между гребнем колеса и рельсом.

Для определения запаса устойчивости ис­пользуют формулу:

К = tg^ Ц -^->Гк 1,
усl+ptgp РбL yd

где [3 — угол наклона образующей гребня ко­леса с горизонталью (в зависимости от про­филя поверхности катания колеса [3 = 60...70°) ц — коэффициент трения поверхностей колес (принимается ц = 0,25 ); Рв вертикальная на­грузка от набегающего колеса на рельс; Рб — боковое усилие взаимодействия гребня набе­гающего колеса и головки рельса; ^ycJ — допустимое значение коэффициента запаса ус­тойчивости.

Из формулы следует, что запаса устойчи­вости не будет при Кус = 1.

В целях безопасности в России для пасса­жирских вагонов коэффициент запаса ус­


тойчивости принят
с учетом

этого, по Нормам, действующим в Россий­ской Федерации, поперечные силы долж­ны быть меньше вертикальных примерно на 8—36 % [табл. 13.1).

  р и э JD По условию устойчивости По Нормам МПС РФ для пассажир­ских вагонов [23], с учетом коэффи­циента запаса 1,6 По Нормам МПС РФ для электро­поездов [22] с учетом коэффи­циента запаса 1,4 По Нормам МСЖД 518 [27] для лю­бых локомотивов и вагонов

Профиль колес вагонов

МСЖД (S 1002) р = 70°

1,48 0,925* 0,8*

Профиль колес скоро­стных вагонов (ГОСТ 9036-88) р = 65°

1,23 0,77 0,8*

Стандартный профиль колес вагонов (ГОСТ 9036-88) р = 60°

1,03 0,64 0,74 0,8*

 


Таблица 13.1
Предельные значения Р6в по условию вкатывания колеса на рельс
* Значения определены расчетным путем, согласно указанным нормам, в которых эти значения не устанавлива­ются. Примечание: Рв и Р6 вертикальная нагрузка и боковое усилие от набегающего на рельс колеса.
В Нормах для электропоездов в Россий­ской Федерации [22] коэффициент запаса устойчивости принят равным 1,4. Поэтому допускаемое значение боковой силы долж­но быть меньше вертикальной на 26 %.

Согласно стандартам, установленным во Франции, боковая сила должна быть мень­ше вертикальной на 20 % в кривых радиу­сом более 300 м для любых типов вагонов и локомотивов. Величины вертикальных и боковых сил — Рв и Рб выбирают или из те­оретических расчетов методами математи­ческого моделирования, или определяют через коэффициенты динамики и рамные силы, полученные при эксперименте.

Плавность хода, уровни вибраций. С по­вышением скорости движения на железно­дорожном транспорте необходимо уделять еще большее внимание вопросам уменьше­ния колебаний подвижного состава. Энер­гия возмущения, вносимая в динамическую систему «вагон—путь», увеличивается про­порционально скорости. Это связано с тем, что при высоких скоростях все более длин­ные неровности могут вызывать резонанс­ные колебания подвижного состава; у длин­ных неровностей и амплитуда больше.

Плавным можно назвать такой ход под­вижного состава, при котором пассажир не испытывает неприятных ощущений и не утомляется даже при длительном путешест­вии. Неприятные ощущения, а в связи с этим и утомляемость, вызываются колебания­ми, толчками, вибрациями и шумом. Опыт показывает, что человек по-разному пере­носит колебания, действующие в различ­ных направлениях и в разных диапазонах частот.

Вибрации оказывают разностороннее дей­ствие на физиологические функции и орга­ны человеческого организма, в том числе на слух, зрение и даже на работу мозга. Ор­ганы, воспринимающие вибрации, делят­ся на две группы: органы равновесия (вес­тибулярный аппарат) и органы осязания, зрения, слуха. При передаче вибраций од­ни частоты усиливаются, другие — ослаб­ляются. Некоторые из частот, воздействую­щие на вестибулярный аппарат (~1 гц), вы­зывают укачивание, другие (4—8 гц) могут вызывать резонансные явления органов в теле человека.



ч0,15

Плавность хода и методы ее оценки дав­но являются объектом исследований в раз­личных странах. На основе испытаний по воздействию вибраций на организм чело­века разработаны несколько методик оцен­ки комфортности поездок в железнодорож­ном экипаже. Наибольшее распространение получили оценки: по показателю плавнос­ти хода; по нормам ISO; по времени утомля­емости; по уровню ускорений.

Показатель плавности хода по Шпер- лингу [60] связывает раздраженность орга­нов чувств пассажира с некоторой физичес­кой величиной, характеризующей колеба­тельный процесс. В качестве этой величины принят условный параметр ш, представляю­щий собой функцию от произведений мак­симума перемещения на максимумы второй и третьей производной перемещения.

wИ М=К0)5'

где а0 — амплитуда перемещений; <о — частота колебаний; кг эмпирический коэффициент.

Колебания подвижного состава обычно носят случайный характер, поэтому метод Шперлинга (табл. 13.2) не дает строгого математического алгоритма определения показателя плавности хода. Однако в силу традиции им продолжают пользоваться. Вместе с тем, предложены другие способы определения плавности хода, регламенти­рующие замену случайного процесса гар­моническим.

Таблица 13.2


Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 901; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!