Высокоскоростной железнодорожный транспорт

Стр 1 из 19Следующая ⇒

G 5 Q .1

В 93

ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ

ТРАНСПОРТ

X X 450^х*

400 х

УДК 629.4

ББК 39.29

В93

Рекомендовано Экспертным советом по рецензированию Московского государственного
университета путей сообщения, уполномоченным приказом Минобрнауки России от 15 января 2007 г.
№ 10, к использованию в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальностям
08.05.02 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей», 23.05.03 «Подвижной
состав железных дорог», 23.05.04 «Эксплуатация железных дорог», 23.05.05 «Системы обеспечения
движения поездов» и направлениям подготовки магистратуры 08.00.00 «Техника и технологии
строительства», 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта» ВО.

Регистрационный номер рецензии 602 от 24 декабря 2013 г. базового учреждения
ФГАУ «Федеральный институт развития образования»

Авторы: введение, гл. 1—8, 10—11 — И.П. Киселёв-, гл. 6, 7 — Л.С. Блажко; гл. 10 — А.Т. Бурков; гл. 5 — Н.С. Бушуев; гл. 1 — В.А. Гапанович; введение, гл. 1 — В.И. Ковалёв; гл. 8 — А.П. Ледяев; гл. 11 — А.Б. Никитин; п. 11.6 — П.А. Плеханов; гл. 10 — В.М. Саввов; п. 8.1 — В.Н. Смирнов; гл. 4 — Ю.И. Соколов; гл. 9 — В.С. Суходоев; п. 3.2, 3.3 — Т.С. Титова; п. 8.2 — Ю.С. Фролов

Рецензенты: зав. кафедрой «Автоматизированные системы электроснабжения» ФГБОУ ВПО РГУПС, д-р техн, наук, проф. Ю.И. Жарков; главный научный сотрудник ОАО «ВНИИЖТ», д-р техн, наук, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, проф. Е.А. Сотников

В93 Высокоскоростной железнодорожный транспорт. Общий курс: учеб, пособие: в 2 т. / И.П. Киселёв и др.; под ред. И.П. Киселёва. — М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2014.

ISBN 978-5-89035-732-8

Т. 1. —308 с.

ISBN 978-5-89035-734-2

Освещены основные этапы развития и современное состояние высокоскоростных железных дорог в мире и России; изложены вопросы проектирования и сооружения высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ); рассмотрены конструкционные особенности стационарных устройств, социально-экономические и экологические аспекты создания и эксплуатации ВСМ, в том числе проведено сравнение с нетрадиционными системами высокоскоростного сухопутного транспорта.

Предназначено для студентов и аспирантов транспортных вузов, специалистов в области транспорта.

УДК 629.4 ББК 39.29

На первой странице обложки: фотоколлаж — электровоз опытного высокоскоростного поезда V150 (Франция), установившего 3 апреля 2007 г. мировой рекорд скорости на железных дорогах 574,8 км/ч (фото: http://trainoftheweek.blogspot.ru/2010/02/alstom-vl50.html); на последней странице обложки: рисунок паровоза «Ракета», установившего 8 октября 1829 г. первый рекорд скорости на рельсовом транспорте 24 мили в час (38,6 км/ч).

ISBN 978-5-89035-734-2 (т. 1) ISBN 978-5-89035-732-8

Введение

величение скорости передвижения — объективная потребность развития человечества, одна из составляющих научно-технического прогресса. Во все времена скорость движения была тем интегрирующим показателем, который характеризовал состояние транспорта, а в значительной мере и уровень инженерно-технического и экономического развития общества.

На протяжении десятков тысячелетий, примерно до начала XIX в., приращение доступной человеку скорости было очень незначительным. Внутри достигнутого скоростного диапазона с незапамятных времен люди разделяли передвижение, перевозки на те, которые можно отнести к «обычным», и такие, которые совершаются с большей скоростью, согласно современной терминологии относимые к «высокоскоростным». Разница в скорости между обычным и быстрым передвижением, некая «дельта» скорости составляет приращение, необходимое для «высокоскоростного» движения. То, что вчера относили к скоростному движению, сегодня становится «обычным». Для достижения указанной разницы в скорости всегда были необходимы дополнительные затраты людских, материальных ресурсов, средств (в денежном выражении], потребных для усовершенствования транспортных систем.

Ускорение всевозможных действий — четко просматриваемая тенденция в жизни людей, возникшая в XVIII в. с началом промышленной революции. В производстве это выражается либо в получении определенного эффекта за более короткий срок, либо большего эффекта в определенный временной интервал; на транспорте — в увеличении скорости перевозки грузов и доставки пассажиров. Человек стремится «сблизить» удаленные друг от друга пункты, сокращая время перемещения между ними.

В истории развития транспорта необходимо отметить четыре этапных скачкообразных увеличения доступной человеку скорости передвижения. Первый скачок связан с началом использования животных и изобретением парусного оснащения судна; второй — с появлением механического транспорта: судов с паровым приводом, автомобилей, железных дорог; третий — с постройкой летательных аппаратов с механическими двигателями; четвертый — с развитием ракетной техники и началом освоения космоса.

На железных дорогах существенный рост скорости движения произошел в 30—40-е годы XX в., что было обусловлено переходом на более прогрессивные виды тяги: использование двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей. Следующий скачок скорости движения на железных дорогах пришелся на 50-е годы прошлого столетия: начало коммерческой эксплуатации поездов во Франции со скоростью до 200 км/ч. Термин «высокоскоростное движение» начинает широко употребляться в середине 60-х годов после открытия первой в мире высокоскоростной железнодорожной магистрали (ВСМ) Токио — Осака в Японии в 1964 г. Здесь были комплексно созданы и стационарные устройства, и подвижной состав, и компоненты инфраструктуры для движения со скоростью более 200 км/ч. Начало истории высокоскоростных железнодорожных магистралей принято относить именно к 1964 г.

К середине 2013 г. всего в мире эксплуатировалось около 20,7 тыс. км BCM. С учетом реконструированных линий полигон обращения скоростных и высокоскоростных поездов составил примерно 25 тыс. км.

Высокоскоростной железнодорожный транспорт

Высокоскоростные железнодорожные магистрали представляют собой сложный технический комплекс, включающий как технические элементы, такие как инфраструктура, подвижной состав и системы управления, так и технологические приемы, в частности, организация эксплуатации, обслуживания систем и устройств, а также компоненты, позволяющие решать финансовые, коммерческие, экологические, социальные и управленческие задачи с учетом человеческого фактора. Высокоскоростной железнодорожный транспорт представляет собой систему различных элементов, каждый из которых является высочайшим достижением в своей области техники и технологии. Это новый быстроразвивающийся вид транспорта, часто справедливо называемый «транспортом будущего».

Перевозки по высокоскоростным железным дорогам обладают важными качествами, предлагаемыми потребителям и обществу: безопасность, высокая провозная способность и экологическая чистота. Они являются инструментом политической интеграции, обеспечивают связь между регионами, стимулируют модернизацию других видов транспорта, существенно повышают мобильность людей. Так же, как сеть метрополитена объединяет районы города, ВСМ связывают в единое пространство регионы на территории страны, обеспечивают сообщение с другими государствами.

Высокий уровень безопасности и комфорта на высокоскоростных специализированных линиях обеспечивается соответствующими проектными параметрами и инженерно-техническими решениями, их оптимальной строительно-технологической реализацией, созданием необходимой инфраструктуры, а также эффективной системой контроля, технического обслуживания и ремонта подвижного состава и стационарных устройств.

Экономическая и социальная привлекательность в масштабах государства, относительно небольшое отрицательное воздействие на окружающую среду по сравнению с другими видами транспорта сформировали общественное мнение в промышленно развитых странах в пользу высокоскоростных железных дорог. Решения о сооружении таких линий приняты в качестве государственных программ в большинстве технически развитых стран. В Европе эти программы вышли на межгосударственный уровень — создается единая Европейская сеть ВСМ.

Как показал опыт эксплуатации высокоскоростных линий в ряде стран, максимальные скорости движения поездов в зависимости от конкретных условий и конструктивных параметров линий достигают 250—350 км/ч. При обеспечении заданного уровня безопасности и комфорта ВСМ имеют явные преимущества в сравнении с другими видами транспорта при массовых перевозках пассажиров в дневных поездах на расстояния 400—800 км в вагонах с местами для сидения и на 1700—2500 км — в спальных вагонах ночных поездов.

В середине XX столетия некоторые ученые и инженеры-транспортники предсказывали конец эпохи железных дорог. В Великобритании, США и ряде других стран протяженность железнодорожной сети уменьшалась, закрывались не только малодеятельные линии, но даже и участки магистралей. Пассажирские перевозки внутри континентов все больше брал на себя автомобильный транспорт; в авиации было создано новое поколение авиалайнеров большой вместимости с турбовинтовыми и турбореактивными двигателями. В средствах массовой информации нередко публиковались сообщения о проектах монорельсовых дорог, аэропоездов на воздушных подушках, экспрессов на «струнных дорогах». Казалось, что в ближайшем будущем будут реализованы и проекты супермагистралей с поездами на магнитном подвешивании. Однако жизнь не подтвердила эти прогнозы.

Традиционная транспортная система «колесо—рельс» показала надежность, экономическую эффективность, высокий уровень комфорта, а главное — высокую безопасность, в том числе и экологическую, что стало особенно актуальным в настоящее время. Высокоскоростные железные дороги уверенно продолжили свой путь в XXI столетие.

Введение

Россия вплотную подошла к сооружению ВСМ. На государственном уровне приняты решения, определяющие перспективы отечественного железнодорожного транспорта, в том числе и высокоскоростного железнодорожного движения. Они сформулированы в «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» и в Указе Президента Российской Федерации «О мерах по организации движения высокоскоростного железнодорожного транспорта в Российской Федерации» (2010 г.)^{^[I]}.

В комплексе задач по развитию в стране высокоскоростного железнодорожного движения одной из важнейших является подготовка кадров, что определено в названных документах. В ряде высших и средних специальных учебных заведений ведется подготовка специалистов в указанной области. Общие и специальные учебные курсы, связанные с высокоскоростным железнодорожным движением, включены в программы по направлениям обучения магистров, бакалавров и специалистов. Выпуск настоящего учебного пособия, подготовленного учеными Петербургского государственного университета путей сообщения совместно с руководителями и специалистами ОАО «Российские железные дороги», а также предприятий железнодорожного транспорта, непосредственно связанных с решением вопросов высокоскоростного движения, является первой попыткой издания комплексного учебно-методического материала в помощь преподавателям и студентам транспортных вузов, специалистам отрасли. Пособие охватывает практически весь круг проблем, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией ВСМ. Издание подготовлено на основе анализа и обобщения отечественного и мирового опыта, с учетом документов и материалов в данной области, опубликованных Международным союзом железных дорог.

В подзаголовке настоящего издания значится «Общий курс», т.е. пособие призвано дать общее представление о сложном социально-экономическом и техническом механизме высокоскоростного железнодорожного транспорта. Вслед за ним должны появиться специальные учебные пособия и учебники по отдельным направлениям, сегментам, элементам общей проблемы.

Для удобства читателей пособие разбито на два тома. В первом томе кратко представлена история высокоскоростного железнодорожного движения, освещены вопросы проектирования, строительства высокоскоростных железных дорог, описываются основные компоненты инфраструктуры ВСМ. Во второй том включено описание особенностей подвижного состава ВСМ, эксплуатации и обеспечения безопасности высокоскоростного железнодорожного движения, подготовки кадров и обслуживания пассажиров.

Авторы выражают благодарность сотрудникам научно-технической библиотеки Петербургского государственного университета путей сообщения во главе с Л.М. Родионовой за большую помощь в подготовке пособия, а также руководству и специалистам ОАО «Скоростные магистрали», ОАО «Ленгипротранс» и профессору Петербургского государственного университета путей сообщения Ю.И. Ефименко, которые ознакомились с рукописью и внесли ценные замечания и предложения.

Глава 1

Высокоскоростной железнодорожный транспорт
и его место в современных транспортных системах

1.1. Предыстория высокоскоростного железнодорожного транспорта

Железнодорожный транспорт как отрасль зародился в 1825 г.¹ в Англии с открытием первой железной дороги общего пользования Стоктон—Дарлингтон, построенной под руководством Дж. Стефенсона. Первая скоростная железнодорожная магистраль в истории человечества — линия Манчестер — Ливерпуль, была сооруженная им же в 1830 г. Она строилась уже в расчете на постоянное использование паровой тяги, причем с высокой скоростью движения — до 50 км/ч. Именно на ней в октябре 1829 г. были впервые официально проведены скоростные испытания локомотивов в ходе конкурса на лучшее средство тяги для новой дороги. Победителями были признаны отец и сын — Джордж и Роберт Стефенсоны, представившие паровоз «Ракета» (рис. 1.1), который развил скорость 24 мили в час (38,6 км/ч)^{^[II]}^{^[III]}.

Своеобразным рубежом, который отделяет «обычное» движение от «высокоскоростного», в представлении многих историков стала круглая цифра 100 миль в час (160,9 км/ч). Этот рубеж скорости был преодолен в сентябре 1839 г. на дороге «Грейт Вестерн» в Великобритании одиночным паровозом «The Hurricane», (от англ. «Ураган») (рис. 1.2) с ведущими колесами диаметром 10 футов (3048 мм). На первой магистральной железной дороге России, открытой в 1851 г., скорость поездов в начальный период эксплуатации доходила до 50 км/ч.

К концу XIX столетия в технически развитых странах (Великобритания, Франция, Германия, США) пассажирские поезда, ходившие по расписанию, развивали скорость

Рис. 1.1. Паровоз «Ракета». Великобритания. 1829 г. (Реконструкция)

70—80 км/ч. 20 июля 1890 г. во Франции поезд массой 157 т с паровозом «Крэмптон» № 604 типа 2-1-0^{^[IV]}, развил на магистрали «Париж — Лион и Средиземноморье» скорость 144 км/ч. В США 10 мая 1893 г. (по другим сведениям 11 мая) поезд «Эм- паер Стейт Экспресс» с паровозом № 999 типа 2-2-0 (рис. 1.3) на железной дороге «Ныо-Йорк Централ и Гудзон ривер» на спуске с уклоном 2,8 %о достиг скорости 112,5 миль/ч (181 км/ч).

Увеличение скорости движения поездов потребовало комплексного улучшения как подвижного состава, так и всех стационарных устройств железных дорог: пути, мостов, систем сигнализации, централизации и блокировки, связи, обеспечивающих управление движением поездов и безопасность перевозок. Из важнейших технических решений, связанных с определенными этапами создания технических устройств для движения с высокими скоростями необходимо отметить замену железных рельсов на стальные, срок службы которых был больше в 8—9 раз. Впервые стальные рельсы были уложены в 1857 г. на железной дороге Мидлэнд (Midland Railway) в Великобритании. К началу XX столетия наибольшее распространение, в мире, в том числе и для высокоскоростного движения, получили широкоподошвенные рельсы, имеющие преимущества по конструкционным, технико-экономическим и эксплуатационным показателям и вытеснившие из экс-

Рис. 1.3. Паровоз № 999 типа 2-2-0. СШЛ. 1893 г.

Рис. 1.4. Поперечное сечение рельсов и конструк

ция первоначального крепления рельсов на каменных подушках (стульях): а, б — двухголовый рельс в литой вертикальной чугунной подкладке (разрез и крепление); в, г — широкоподошвенный рельс (разрез и крепление). Середина 50-х годов XIX в. плуатации так называемые «двухголовые» английские рельсы (рис. 1.4).

Уже на первых железных дорогах возникла потребность в передаче условных знаков, сигналов для обеспечения коллективных действий по организации перевозочного процесса, в который были вовлечены «агенты движения»^{^[V]}: станционные работники (дежурные по станциям), стрелочники, сигналисты, позже появились диспетчеры, а также члены локомотивных, поездных бригад — машинисты, их помощники, кочегары, кондукторы, проводники и тормозильщики.

И установка маршрута, и регулирование скорости движения поезда, с точки зрения управленческого воздействия на технические устройства, представляют многозвенный процесс. В течение длительного периода (почти до середины XX в.) техническое обеспечение не позволяло ни руководителю движения (дежурному по станции, диспетчеру), ни машинисту локомотива, осуществлять напрямую (без совместных действий многих участников) задание маршрута и управление поездом. Для осуществления согласованных действий работников на железных дорогах началось использование сигналов (видимых и звуковых), различных приборов для их подачи: флажков, фонарей, колоколов, свистков, а также сигнальных дисков разной конфигурации (неподвижных и поворотных). Подобное сигнальное устройство установили на первой железной дороге общего пользования Стоктон — Дарлингтон в Великобритании в 1827 г. (рис. 1.5). Обращенный к поезду диск разрешал движение, повернутая к поезду горизонтальная доска прямоугольной формы означала сигнал «стой». Интересно, что для лучшей видимости и диск и доска были окрашены в красный цвет.

С ростом скорости возникла необходимость увеличения расстояния, на котором машинист локомотива мог воспринять показание сигнала. В 1841 г. на участке же-

Рис. 1.5. Один из первых постоянных сигналов — диск и горизонтальная доска на поворачивающемся стержне. Великобритания. 1840 г.

лезной дороги Лондон — Крайдон был установлен первый семафор, который передавал три сигнальных показания: «стой», «разрешается движение с осторожностью» и «путь свободен». Днем эти показания подавались, соответственно, положениями крыла: горизонтальным, опущенным вниз под утлом 45° по отношению к мачте и вертикальным расположением крыла вдоль мачты. Ночью сигнал подавался керосиновой лампой, цвет огня изменялся светофильтрами, соответственно, красным, зеленым и прозрачным (белым), вставленным во вращающуюся стеклянную рамку. До начала XX в. практически на всех железных дорогах мира зеленый цвет сигнального прибора означал «тише, движение с осторожностью». Использование семафоров, предупредительных дисков и дисков сквозного прохода позволяло обеспечить двух-, трех- и даже четырехзначную сигнализацию, столь необходимую при скоростном движении (рис. 1.6).

Улучшались конструкции паровозов и вагонов, на рубеже XIX—XX вв. были созданы пригодные для коммерческого использования новые средства тяги: с электриче-

Рис. 1.6. Одна из первых конструкций семафоров и предупредительных дисков. Франция. 1855 г.

ским приводом и с использованием двигателей внутреннего сгорания. В США, Германии, Великобритании, Франции, Италии вслед за городскими скоростными электрическими железными дорогами (трамваи и метрополитены) началось строительство электрифицированных междугородных линий, предназначенных для скоростных пассажирских перевозок. В 1903 г. в Германии на испытательном железнодорожном полигоне Мариенфельд — Цоссен электровагон, изготовленный компанией «Siemens & Halske» [рис. 1.7) достиг скорости 206,8 км/ч, а электровагон компании AEG установил рекорд 210 км/ч.

Рис. 1.7. Высокоскоростные электровагоны компаний AEG [слева) и «Siemens & Halske». Германия. 1903 г.

Рис. 1.8. Паровоз типа 1-3-1 серии С первого выпуска на Николаевской железной дороге. 1915 г.

В России в начале XX столетия было создано несколько паровозов, которые обслуживали скорые и курьерские поезда. На Сормовском заводе в 1910 г. был построен скоростной паровоз, получивший индекс С, признанный одним из лучших европейских локомотивов своего времени [рис. 1.8). Паровоз использовали для обслуживания экспрессов на направлении Санкт-Петербург — Москва, Санкт-Петербург — Варшава.

Рис. 1.9. Слева — самый быстрый в мире поезд с паровой тягой — паровоз серии А4 «The Mallard» № 4468. Великобритания. Фото 1986 г. Справа — памятная табличка, установленная на указанном паровозе в честь рекорда. В верхней части таблички название железной дороги: LNER («London and North Eastern Railway» — «Лондон и Северо-Восточная железная дорога»). Надпись на табличке: «3 июля 1938 г. этот локомотив установил мировой рекорд скорости для паровой тяги — 126 миль в час»

В декабре 1913 г. состоялись опытные поездки поезда из девяти четырехосных вагонов с паровозом серии С, названного журналистами «поезд-молния». Во время рейса 6 декабря 1913 г. весь путь от Петербурга до Москвы был пройден за 7 ч 59 мин, максимальная скорость достигала 125 км/ч. Профессор Н.Л. Щукин с начала XX в. вынашивал идею о введении в эксплуатацию между Петербургом и Москвой скоростных поездов, однако начавшаяся война не позволила реализовать эти планы.

На первые десятилетия XX в. приходится апогей использования паровой тяги в высокоскоростном железнодорожном движении. К числу самых известных в мире экспрессов с паровой тягой в 20—30-е годы XX столетия относились американские поезда на линии Нью-Йорк — Чикаго с фирменным названием «Двадцатый век» и поезда «Hiawatha» («Гайавата»), курсировавшие по линии Чикаго — «Города близнецы» (City Twins)^{^[VI]}. В 1938 г. поезда этой линии начали использовать новые мощные скоростные паровозы серии F7 типа 2-3-2, способные вести состав из 12 вагонов со скоростью до 105 миль в ч.

В Германии в начале 30-х годов XX столетия фирмой «Borsig» был создан скоростной паровоз типа 2-3-2 серии 05, с ведущими колесами диаметром 2300 мм и трехцилиндровой паровой машиной. 11 мая 1936 г. поезд массой 200 т с этим паровозом в поездке из Гамбурга в Берлин развил скорость 200,4 км/ч.

Лучшими британскими скоростными паровозами рассматриваемого периода были машины типа 2-3-2 серии А4. 3 июля 1938 г. паровоз этой серии №4468 — (рис. 1.9) «The Mallard» (от англ, кряква, дикая утка) с поездом массой 200 т «Летучий Шотландец» достиг наибольшей скорости для паровой тяги 126 миль/ч (202,7 км/ч).

В 30-е годы в СССР также было создано несколько скоростных паровозов. На Коломенском машиностроительном заводе под руководством инженеров Л.С. Лебедянского и М.Н.. Щукина в 1937 г. изготовлен скоростной паровоз типа 2-3-2 (рис. 1.10), который с составом в 14 осей 29 июня 1938 г. на линии Ленинград—Москва развил скорость 170 км/ч, установив абсолютный pe

Рис. 1.10. Первый из скоростных паровозов типа 2-3-2 Коломенского завода. СССР. 1937 г.

Рис. 1.11. Электропоезд ETR200. Италия. 1939 г.

корд скорости для поездов с паровой тягой для СССР^{^[VII]}.

Постройка скоростных паровозов дала отечественной науке и инженерной практике неоценимый опыт. Великая Отечественная война прервала эти работы, дальнейшее развитие скоростного движения в СССР в послевоенный период осуществлялось уже с применением новых видов тяги: тепловозной и электрической.

Лидером в области развития скоростного движения с использованием электрической тяги в предвоенный период была Италия. 20 июля 1939 г. скоростной электропоезд ETR200 (рис. 1.11} прошел маршрут Флоренция — Милан (314 км) за 1ч 55 мин (маршрутная скорость 164 км/ч) при максимальной скорости 202,8 км/ч. Электропоезд предназначался для работы на линиях, электрифицированных на постоянном токе с напряжением 3 кВ (суммарная длительная мощность тяговых электродвигателей 1100 кВт), состоял из трех вагонов общей массой 110 т.

Одним из самых мощных скоростных пассажирских электровозов, построенных в предвоенный период, был советский опытный локомотив ПБ 21-01 («Имени Политбюро ЦК ВКП(б)»), имевший нагрузку 21 тс на рельсы от одной колесной пары. Во время испытаний 5 января 1935 г. этот электровоз с поездом массой 713 т, состоявшим из 17 четырехосных вагонов, развил скорость 98 км/ч, а во время рейса

Рис. 1.12. Аэровагон Ф. Крукенберга «Цеппелин на рельсах» в движении на пути: а — общий вид; б — вид со стороны воздушного винта. Фото. Германия. 1931 г.

с одним динамометрическим вагоном— 127 км/ч.

В 20—30-е годы XX столетия в мире начинается развитие высокоскоростного железнодорожного движения с использованием двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Однако мощность и скорость первых тепловозов были ниже показателей лучших паровозов. В скоростном движении первоначально пытались применить легкие аэровагоны и аэродрезины. На них в качестве движителей использовались воздушные винты (пропеллеры), непосредственно приводимые в движение ДВС. В 1931 г. аэровагон доктора Ф. Крукенберга (Германия) развил скорость 230 км/ч [рис. 1.12}. Но в коммерческой эксплуатации аэровагоны не использовались, поскольку воздушные винты страдают существенным недостатками: имеют малую величину тяги при начале движения, что затрудняет трогание аэровагонов с места (особенно на подъемах) и высокий уровень шума при движении.

Широкое использование ДВС началось после создания работоспособных электрических и гидравлических передач от двигателя к движущим колесам. В 1933 г. в Германии на маршруте Берлин — Гамбург были введены в регулярную эксплуатацию скоростные дизель-поезда SVT 877, развивавшие скорость до 165 км/ч. В движении по расписанию был перекрыт рекорд британского экспресса «Летучий Шотландец», что и послужило поводом для присвоения поезду названия «Летучий Гамбуржец». В США одной из первых успешных попыток применения двигателя внутреннего сгорания для скоростного движения стал дизель-поезд «Pioneer Zephyr». Поезд состоял из трех сочлененных вагонов на промежуточных тележках. В начале апреля 1934 г. этот поезд на испытаниях развил скорость 167,3 км/ч. Поезда «Zephyr», а также дизель-поезда М-10000 и др. [рис. 1.13} обеспечивали в США большие объемы скоростных железнодорожных перевозок.

В этот же период скоростные автомотрисы и дизель-поезда широко применялись во Франции. В 1930-е годы на линии «Париж— Лион и Средиземное море» эксплуатировались скоростные автомотрисы «Bugatti» с уникальными четырехосными тележками (две на вагон) с колесами, оснащенными резиновыми вкладышами между центрами и бандажами. Автомотрисы имели салоны 1-го класса вместимостью 48 пасажиров; могли развивать максимальную скорость 170 км/ч, но в силу законодательного ограничения эксплуатировались с максимальной скоростью 120 км/ч.

Одним из важнейших событий в области железнодорожной автоматики и телемеханики в начале XX века стало внедрение в практику надежных устройств в виде рельсовых цепей для объективного контроля положения подвижных единиц (занятости участков пути). На протяжении нескольких

Рис. 1.13. Американские дизелъ-поезда 30-х годов XX в.: а — «Zephyr» (от греч. «Зефир» — Западный ветер); б — дизель-поезд М-10000

десятилетий разрабатывались разнообразные конструкции рельсовых цепей постоянного и переменного тока разной частоты, создавались многочисленные приборы для обеспечения их работы, прежде чем эти устройства контроля стали неотъемлемыми элементами систем регулирования движения поездов: автоматической блокировки и электрической централизации стрелок и сигналов.

При автоматической блокировке перегон делится на отдельные участки (блок- участки). Это позволяет при достаточной длине перегона находиться на нем нескольким поездам, двигающимся в одном направлении, что существенно увеличивает пропускную способность линии. При двухзначной автоматической блокировке машинист получает информацию только о том, свободен или занят один впередиле- жащий блок-участок. Вступление подвижной единицы на блок-участок (даже одной колесной парой) без вмешательства человека обеспечивается перевод ограждающего сигнального устройства в положение, которое подает сигнал «Стой». После полного освобождения блок-участка также автоматически и без участия человека подается сигнал «Движение разрешено». К числу первых работоспособных систем для двухпутных железнодорожных линий можно отнести автоблокировку Парижского метрополитена (1900 г.).

К концу 30-х годов XX в. общая длина линий, оборудованных автоблокировкой, в США составляла около 150 тыс. км, из них на протяжении 1700 км была устроена четырехзначная автоблокировка. Активное оборудование автоблокировкой, в основном электрифицированных линий велось в Великобритании. Во Франции в этот период протяженность линий с автоблокировкой была около 6500 км. Однако физическая преграда (препятствие) входу подвижной единицы на занятый участок пути при автоблокировке не создается, то есть фактически, имеет место так называемая «квазиблокировка»^{^[VIII]}. Остановка поезда перед закрытым сигналом зависит от машиниста (локомотивной бригады). С появлением пневматических тормозов на железных дорогах были предприняты попытки создания приборов — автостопов, обеспечивающих в случае проезда запрещающего сигнала взаимодействие напольного сигнального устройства и тормозной системы поезда и его автоматическую остановку без вмешательства человека.

В первые десятилетия XX в. с развитием электротехники и оптики, создаются надежные сигнальные приборы круглосуточного действия — светофоры, свободные от недостатков семафоров, имевших механические устройства изменения показания. Уже в первом десятилетии XX в. на ряде железных дорог, прежде всего в метрополитенах с интенсивным движением, успешно эксплуатировались точечные системы автостопов механического, электрического, электромагнитного типов. В точечном автостопе информация на локомотив передается в одной или нескольких точках пути перед напольным сигналом. Благодаря простоте и надежности конструкции механические автостопы получили распространение, до сих пор используются на линиях многих метрополитенов, в том числе во всех метрополитенах городов бывшего СССР. Были предложены также приборы, обеспечивавшие автоматическое снижение скорости поезда, так называемые «устройства авторегулировки».

К концу 20-х годов XX столетия были созданы работоспособные системы автоматической блокировки с устройствами передачи на локомотив информации о показаниях напольных сигналов — локомотивной сигнализации точечного типа и непрерывного типа, с контролем скорости движения поезда и автостопами. Первоначально эти приборы, в том числе и в СССР, назывались «кэб сигнал» (от англ, cab signal — сигнал, установленный в будке машиниста). Понятие «кэб сигнал» было официально введено в СССР в 1936 г. При непрерывной локомотивной сигнализации информация о показании напольного сигнала, к которому приближается подвижная единица, передается постоянно, устройства локомотивной сигнализации точеного типа обеспечивают передачу информации на локомотив в одной или нескольких точках пути. Развитие таких систем стимулировалось высокоскоростным движением.

Успехи электротехники к концу XIX в. привели к распространению электрической централизации стрелок и сигналов. В этих системах перевод остряков стрелок и установка в нужное положение сигнальных приборов обеспечиваются электрическими приводами. На рубеже XIX—XX вв. приборы и устройства для электрической централизации стрелок и сигналов выпускали десятки компаний разных стран. В США число стрелок и сигналов, включенных в системы электрической централизации, исчислялось десятками тысяч, в Европе только компания «Siemens & Halske» поставила для включения в электрическую централизацию более 20 тыс. стрелочных электроприводов. Однако вначале и эти системы не включали приборы объективного контроля свободности участков пути, а следовательно, не обеспечивалась должная безопасность. Только создание надежных конструкций рельсовых цепей к 30-м годам XX в. позволило внедрить системы управления движением поездов на станциях в современном понимании.

Таким образом, к 30-м годам сформировались технические устройства, обеспечивающие непосредственное управление заданием маршрута движения поездов без участия промежуточных операторов (агентов) с должным уровнем безопасности, базировавшимся на объективном контроле положения подвижных единиц, а также устройства непосредственной блокировки движения поездов на занятые участки пути (автостопы), снижающие негативное влияние человеческого фактора. Дальнейшее развитие указанных систем в части повышения их надежности и безопасности осуществлялось путем совершенствования элементно-технической и технологической базы проектирования и изготовления.

После второй мировой войны примерно к середине 1950-х годов было завершено восстановления разрушенных железных дорог. В ряде передовых в техническом отношении стран стремительно развивались автомобильные и авиационные перевозки, сокращалась эксплуатационная длина железных дорог.

Конкурентоспособность железных дорог во многом определялась скоростью движения и экономичностью перевозок. В высокоскоростном пассажирском движении на железных дорогах Великобритании, Италии, США, Франции, ФРГ паровая тяга интенсивно заменялась электрической и тепловозной, широко использовались скоростные дизель-поезда. Наиболее значительные результаты были достигнуты в
Великобритании, где эксплуатировались самые мощные скоростные тепловозы «Del- tic», а затем дизель-поезда «Intercity 125», развивавшие максимальную скорость 125 миль/ч (201,1 км/ч).

Во второй половине 1950-х годов наибольших успехов в области высокоскоростного железнодорожного движения добились специалисты Франции, где в 1955 г. в опытных поездках была превышена скорость 300 км/ч. Электровозы постоянного тока серии СС 7100 и серии ВВ 9000, каждый с составом из трех вагонов общей массой 111т, достигли соответственно скорости 331 и 326 км/ч. В 1960-е годы на ряде железных дорог Франции поезда в движении по расписанию развивали скорость около 200 км/ч (рис. 1.14}.

Рис. 1.14. Поезд «Капи- толь». Первый в Европе экспресс с максимальной скоростью движения 200 км/ч. Франция. 1967 г.

Рис. 1.15. Отправление из Ленинграда опытного скоростного экспресса № 5/6 Ленинград — Москва 12 июня 1963 г.

В СССР в послевоенный период осуществлялся беспрецедентный Генеральный план технического перевооружения железнодорожной отрасли на основе электрификации. В 60-е годы XX в. результаты, достигнутые в скоростном движении на Октябрьской железной дороге, были сопоставимы с показателями высокоскоростных экспрессов железных дорог Японии, Франции, Италии, США и других ведущих в этой области стран (рис. 1.15}. В это время линия Москва — Ленинград по скорости движения пассажирских поездов не уступала лучшим зарубежным магистралям, причем на маршруте длиной 650 км, который в два-три раза превышал большинство зарубежных, за исключением линии в Японии Токио — Осака (рис. 1.16}. В мар-

Рис. 1.16. Электропоезд серии 0 (ноль) на первой ВСМ Токио — Осака. Япония. 1965 г.

сгг j: Ростооский го университет Научи

740369

путей со г. :)ия

те 1966 г. опытный поезд с электровозом ЧС2^М на линии Ленинград — Москва впервые в истории страны в движении по перегону достиг скорости 200 км/ч.

Подводя итоги развития высокоскоростного железнодорожного движения в мире до создания специализированных высокоскоростных железнодорожных магистралей выделим три этапа. В основание периодизации положены во взаимосвязи два параметра: рекордная скорость движения и максимальная скорость в коммерческой эксплуатации. Первый этап: начало — середина XIX в.: первая волна постройки скоростных (гоночнйх) паровозов¹. Второй: середина XIX в. — первые десятилетия XX в.: планомерное повышение скорости лучших поездов до 120—150 км/ч, начало конкуренции железных дорог с авиацией и автомобильным транспортом, закат эры паровой тяги после пика достижения скорости 200 км/ч. Третий: 30-е — середина 60-х годов XX столетия^{^[9]}^{^[10]}: переход на двигатели внутреннего сгорания и электрическую тягу в высокоскоростном движении, освоение скорости до 200 км/ч в коммерческой эксплуатации. Современный: четвертый этап (начался в середине 1960-х годов) связан с созданием и развитием специализированных ВСМ.

1.2. Классификация железных дорог и максимальная скорость движения поездов

Согласно сложившейся классификации к высокоскоростным железным дорогам относятся линии, на которых осуществляют регулярную и массовую перевозку пассажиров в специализированном подвижном составе со скоростью более 200 км/ч с высоким уровнем безопасности и комфорта. Это обеспечивается принятыми нормами и проектными параметрами, инженерно- техническими решениями, должным строительно-технологическим исполнением и эксплуатацией подвижного состава, стационарных устройств и сооружений, всех систем, а также инфраструктуры. Как правило, скорость движения поездов по ВСМ в повседневной коммерческой эксплуатации составляет 250—300 км/ч. На вновь сооружаемых линиях принимают максимальную расчетную скорость движения 350 км/ч.

Однозначной объективно существующей границы, определяющей зону «высокоско-

17 ыи

ростного» движения на железнодорожном транспорте, как, например, «звуковой барьер» (330 м/с) в авиации, не существует. Однако предпосылки к определению границы зоны высокоскоростного движения, пусть несколько размытой, имеются. Для традиционной железнодорожной транспортной системы «колесо—рельс» при достижении скорости 250 км/ч и более наблюдается относительно резкое увеличение сопротивления движению подвижного состава и, как следствие, рост энергетических затрат на тягу поезда. Для скорости движения выше 250 км/ч требуется более высокая, чем на обычных линиях, техническая оснащенность стационарных устройств, инфраструктуры и подвижного состава, что приводит к росту капитальных затрат на строительство, увеличению стоимости подвижного состава, к повышению эксплуатационных расходов, что экономически оправдывается при массовых перевозках пассажиров, как правило, на маршрутах протяженностью 400—800 км.

В начале XX в. к категории высокоскоростного движения на железнодорожном транспорте относили движение со скоростью 140—160 км/ч. К концу столетия 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.

В настоящее время в Российской Федерации принята следующая классификация железнодорожных линий в зависимости от скорости движения пассажирских поездов:

• до 160 км/ч — обычные железные дороги;

• от 161 до 200 км/ч — скоростные магистрали;

• более 200 км/ч — высокоскоростные магистрали.

В России под высокоскоростной железнодорожной магистралью (ВСМ или ВСЖМ) понимается специализированная железнодорожная линия, предназначенная для регулярной коммерческой эксплуатации пассажирских поездов с максимальной скоростью движения более 200 км/ч. Определения «скоростной»¹ и «высокоскоростной» пассажирский поезд^{^[11]}^{^[12]} даны в «Правилах технической эксплуатации», утвержденных министром транспорта Российской Федерации в 2010 г. с изменениями, внесенными в 2012 г. Определение «высокоскоростной подвижной состав» дано также в «Техническом регламенте о безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта», утвержденном Постановлением Правительства Российской Федерации от 15 июня 2010 г. № 533. Понятие «скоростная железнодорожная линия» введено в стандарте СТН Ц-01-95 «Железные дороги колеи 1520 мм».

Градации скорости (категория высокоскоростного железнодорожного движения), принятые в России, несколько отличаются от положений, которых рекомендует придерживаться Международный союз железных дорог (UIC — МСЖД). В официальном докладе МСЖД, опубликованном к VIII всемирному конгрессу по высокоскоростному железнодорожному движению в Филадельфии (США в 2012 г.), отмечено, что к высокоскоростным железным дорогам относятся линии, на которых скорость движения поездов составляет 250 км/ч и более.

Современный этап развития высокоскоростного железнодорожного движения характеризуется тем, что в мировом железнодорожном сообществе произошло дополнение в градациях скорости в высокоскоростном железнодорожном движении. Если до этого практически однозначно определялись понятия «высокоскоростные железные дороги», «высокоскоростные поезда» (в англоязычной литературе «High speed railways», «High speed trains»), то теперь все чаще определяется и следующая, более высокая категория скорости «Extreme high speed» или «Very high speed» — «чрезвычайно» или «очень» высокоскоростная железная дорога, поезд.

Соответственно, в зарубежной железнодорожной литературе, в частности, в материалах МСЖД, появилось разделение линий и поездов, предназначенных для высокоскоростного движения на три категории:

• скоростные — высокоскоростные линии — скорость 201—250 км/ч (обычные магистральные железные дороги, прошедшие реконструкцию);

• высокоскоростные — скорость 251— 300 км/ч (специально построенные высокоскоростные линии);

• чрезвычайно или очень высокоскоростные — скорость более 300 км/ч (специально построенные очень высокоскоростные линии). Будем их называть сверхскорост- ные\

Несколько компаний, выпускающих подвижной состав для ВСМ завершили или близки к созданию сверхскоростных поездов: компания «Siemens» (ФРГ) — поезда платформы «Velaro», предназначенные для Испании и КНР с конструкционной скоростью 350 км/ч; компании «Bombardier» (Канада) — поезд платформы «Зефир» с конструкционной со скоростью 350 км/ч; компания «Talgo» (Испания) — поезд «Avril» (380 км/ч) и компания «Hyundai Rotem» (Республика Корея) — поезд HEMU- 430 (430 км/ч). Эти поезда позиционируются именно как поезда «очень высокой скорости».

Уже отмечалось, что еще на заре эры железнодорожного транспорта один из его патриархов Джордж Стефенсон — строитель первых железных дорог общего пользования заметил, что «железнодорожный экипаж и рельсы надо рассматривать как единую транспортную машину». Скорость, как ни какой другой показатель характеризует «единство» этой машины с точки зрения оптимального соответствия друг другу путевой структуры и подвижного состава. Приращение каждого километра максимальной, а еще важнее, средней скорости движения поездов, требовало и требует больших организационно-технических, инженерных усилий и материальных затрат.

При описании и анализе работы современного железнодорожного транспорта используют различные дефиниции скорости: техническая, участковая, маршрутная.

Техническая скорость — средняя скорость движения поездов по участку (км/ч) с учетом дополнительного времени на разгон и замедление. Участковая скорость — скорость движения по участку, когда учитываются стоянки на промежуточных станциях. Маршрутная скорость — средняя скорость движения поезда на направлении от начального до конечного пунктов его следования с учетом всех стоянок на раздельных пунктах. Другие авторы определяют маршрутную скорость как скорость движения поезда на данном железнодорожном направлении с учетом времени стоянок на всех попутных станциях, разгонов, замедлений и задержек поездов на перегонах; техническую скорость как среднюю скорость движения поезда (или локомотива) по участку без учета времени стоянок поезда на промежуточных, а участковую скорость как среднюю скорость движения поезда по участку с учетом времени стоянок на промежуточных станциях, разгона и замедления и задержек поезда на перегонах.

Важной характеристикой подвижного состава является конструкционная скорость локомотива — скорость локомотива, устанавливаемая с учетом допустимого воздействия его на путь, ходовых свойств, безопасности движения (предотвращения схода с рельсов и прочности его деталей). Различные понятия, связанные со скоростью движения, применяют при описании и анализе работы других видов транспорта.

Наряду с перечисленными определениями скорости важно учитывать понятие максимальная технически возможная скорость,, которая,, по. сутч, является. $ек£ЭДк ной скоростью, и под которой понимается наибольшая скорость движения, зафиксированная для данного вида транспорта или конкретного транспортного средства.

Как правило, рекордная скорость фиксируется при проведении специальных испытательных поездок или спортивных рекордных заездов. Для некоторых видов транспорта введены официальные международные и национальные правила фиксирования рекордов скорости. Например, авиационные рекорды фиксируются в соответствии со спортивным кодексом Международной авиационной федерации (Federation Aeronautique internationale — FAI). Наивысшая скорость движения парусных судов фиксируется с середины XIX в., с 1907 г. — по правилам, разработанным и утвержденным Международным парусным союзом. Для железнодорожного транспорта таких правил никогда не существовало, что порождает проблемы при анализе развития технических средств железных дорог.

1.3. Зарождение и развитие современного высокоскоростного железнодорожного транспорта

В 1964 г. в Японии была введена в эксплуатацию железная дорога Токио — Осака протяженностью 515 км — первая в мире магистраль, предназначенная для регулярного движения с максимальной скоростью более 200 км/ч. Утвердилось понятие «высокоскоростная железнодорожная магистраль»; первоначально в мире широко использовался термин Синкансэн*, в русском языке закрепились аббревиатуры (акронимы) ВСМ или ВСЖМ.

¹ Синкансэн (от японского) — новая большая дорога или новая магистраль.

С созданием первой ВСМ Токио — Осака (см... рис, и^аиаашда. см.ен.а чсхщцнлй концептуальной схемы (парадигмы) системы высокоскоростного железнодорожного транспорта: ВСМ в современном виде, в отличие от большинства железных дорог, это сугубо специализированные пассажирские магистрали для массовых перевозок в строго обозначенных транспортных коридорах. Попытки использования ВСМ для грузовых (почтовых) перевозок пока крайне ограничены, но, по мнению некоторых экспертов — перспективны^{^[13]}.

Высокоскоростной железнодорожный транспорт в виде специализированных ВСМ прошел несколько этапов развития. В основу разделения на этапы положена степень распространения нового подвида железных дорог.

Первый этап развития высокоскоростного железнодорожного транспорта пришелся на 60—80-е годы XX столетия, когда были введены в эксплуатацию первые ВСМ в отдельных странах: Японии, затем во Франции и Италии. В этих странах, а также в ФРГ, Великобритании, США, СССР активно проводились научные исследования, шел поиск, отбор правильных решений, проверка их практикой, выбор основных инженерно-технических решений, необходимых для сооружения ВСМ и производства высокоскоростного подвижного состава. Принципиально новым стало строительство специализированных линий исключительно для пассажирских высокоскоростных поездов (рис. 1.17,1.18).

Второй этап: 90-е годы XX столетия — первое десятилетие XXI в. Массовые пассажирские перевозки по ВСМ показали их весьма высокую надежность, безопасность, экономическую эффективность, экологическую чистоту и привлекательность для пассажиров. Проекты создания ВСМ поддерживаются правительствами многих стран, Европейского сообщества в целом. В Запад-

Рис. 1.17. Электропоезд серии TGV PSE на ВСМ Париж—Лион. Франция. 1981 г.

Рис. 1.18. Опытный поезд ICE V на высокоскоростной линии Вюрцбург — Ганновер. ФРГ 1988 г.

ной Европе были введены в эксплуатацию первые международные высокоскоростные поезда на маршрутах Париж — Кельн, Париж— Амстердам; Лондон — Париж и Лондон— Брюссель, для которых использовались участки отдельных высокоскоростных линий {рис. 1.19).

В ситуации нарастающих экологических проблем все более привлекательным стало исключительно малое воздействие ВСМ на окружающую среду, меньшее занятие территории по сравнению с автомобильным транспортом и авиацией. В клуб стран, обладающих высокоскоростными железными дорогами, помимо Японии, Франции и Италии, входят Германия, Бельгия, Испания, Нидерланды, США, Великобритания, Тайвань, Республика Корея (Южная), Швеция, Норвегия, КНР. В 1990-х годах протяженность ВСМ в мире приблизилась к 6 тыс. км. В повседневной коммерческой эксплуатации поезда на ВСМ развивали скорость до 300 км/ч. 3 апреля 2007 г. во Франции опытный поезд V150 установил рекорд скорости на железнодорожном транспорте 574,8 км/ч, что продемонстрировало скоростные возможности и надежность системы «колесо—рельс» (рис. 1.20,1.21).

Третий этап: настоящее время развития высокоскоростного железнодорожного транспорта. Строительство ВСМ ведется во многих технически развитых странах мира.

В постоянной коммерческой эксплуатации на ВСМ достигнута максимальная скорость 350 км/ч; по мнению многих специалистов это достижение сохранится на несколько десятилетий. Самые высокие темпы развития высокоскоростных железнодорожных перевозок в последние годы наблюдаются в Испании (рис. 1.22) и Китае (рис. 1.23). Наибольшую протяженность имеют ВСМ КНР — более 9,4 тыс. км, Японии — 2664 км (рис. 1.24), Испании — 2656 км, Франции — 2036 км, Германии — 1334 км, Италии — 923 км (по данным Меж-

Рис. 1.19. Европейские высокоскоростные поезда (слева направо): TGV D, TGV Thalis, ETR500, TGV Т. Берлин. 1998 г.

Рис. 1.20. Опытный электропоезд V150 во время рекордной поездки 3 апреля 2007 г. Франция

Operation V 150

H FERftf ие

FRANCE

580

560

540

520

500

480

460

440

420

400

380

360

340

320

300

280

260

DI AG RAMM E DE VITESSE

ALSTOM

Marchen* 093*02 du Marti 03 avril 2007

~~UVRV-~~ LOUvTHCY PK14O3

РК2Ю.4

170 180 190 200 210 220

krwb

230 240 250

„«Ж -

Рис. 1.21. Скоростная диаграмма рекордной поездки поезда V150 3 апреля 2007 г. В нижней части графика указаны километры линии, на которой проходили испытания (от 140 до 260), выше схематически изображен план: горизонтальными прямыми показаны прямые участки пути, вертикальными — кривые, еще выше (желтая линия) — продольный профиль пути. Поезд в опытной поездке двигался от 250-го км к 140-му км (на графике — справа налево). Набор скорости для выхода на рекордную величину был начат на 220-м км, рекорд скорости 574,8 км/ч был установлен в момент выхода со спуска в районе 193-го км. Внизу на графике — подписи руководителей испытания