Публикации - Машиностроение

Технические требования для высокоскоростного подвижного состава в России

В ближайшие несколько лет в России планируется начать строительство первой специализированной высокоскоростной железнодорожной магистрали (ВСМ). Потребность в реализации такого проекта обусловлена как необходимостью развития современных видов транспорта, учитывая большие расстояния в стране, так и мировыми тенденциями. Сегодня в мире эксплуатируются более 37 тыс. км ВСМ, причем за последние 5 лет протяженность высокоскоростной железнодорожной инфраструктуры увеличилась более чем в 2 раза.

Строительство ВСМ планируется между Москвой и Казанью. Протяженность линии – 770 км, большая часть которой проектируется на безбалластной основе под скорость 400 км/ч (искусственные сооружения – 350 км/ч). Подвижной состав – под демонстрационную скорость 400 км/ч (при сертификационных испытаниях) и максимальную эксплуатационную (перевозка пассажиров) – не более 360 км/ч.

В 2015 году были сформированы, а в 2017 году актуализированы технические требования для высокоскоростного подвижного состава. Их разработка производилась с учетом мирового опыта по эксплуатации высокоскоростных поездов, а также опыта организации движения на линии Москва – Санкт-Петербург (подвижной состав Velaro RUS, Siemens).

В настоящее время в мире немало моделей высокоскоростного подвижного состава, эксплуатационная скорость которых сопоставима с техническими требованиями для трассы ВСМ Москва – Казань (рис. 1). Однако необходимо отметить, что достижение такого скоростного режима при различных условиях внешней среды требует неодинаковых технических и технологических решений.

Рис. 1. Сравнение моделей высокоскоростного подвижного состава ведущих мировых производителей (увеличить)

Во-первых, следует учитывать климатические условия. Так, перепады температур на проектируемой трассе составляют практически 100 ºС, причем решающее значение имеют не только перепады, но и их нижнее значение – -48 ºС. Именно воздействие низких температур негативно отражается на прочностных свойствах металла, а следовательно, элементов кузова и навесного оборудования.

В странах Европы подобные климатические условия являются экстраординарными, вследствие чего подвижной состав проектируется под минимальные температуры нениже -25 ºС (Siemens Velaro E и Talgo Avril, эксплуатирующиеся преимущественно в Испании, имеют температурный режим от -20 ºС до +50 ºС). Кроме того, многими перевозчиками при неблагоприятных погодных условиях скорость движения поезда снижается. Во Франции SNCF накладывает ограничения в зависимости от количества осадков (снега), уменьшая скорости до 230 км/ч; в Германии (Deutsche Bahn) – с 300 км/ч до 200 км/ч в периоды снегопада, чтобы минимизировать возможность возникновения нештатной ситуации и повреждения подвижного состава; в Испании (Renfe) – с 300 км/ч до 230 км/ч (или до 160 км/ч) в зависимости от погодных условий. Только в Китае высокоскоростной подвижной состав эксплуатируется в схожих с нашими климатических условиях. Открытая в 2012 году линия Харбин –Далянь проходит через холодный регион, перепады температур в котором составляют от -40 ºС до +40 ºС. На линии перевозки пассажиров осуществляются в подвижном составе CRH380B, который способен в постоянной эксплуатации развивать скорость до 380 км/ч. Однако из-за жестких погодных условий, а также скоростных ограничений, введенных Министерством железных дорог Китая после крупной аварии на линии ВСМ в 2011 году, подвижной состав на этой линии эксплуатируется с максимальной скоростью 300 км/ч в летнее время и не более 200 км/ч – в зимнее.

Во-вторых, ведущие мировые производители проектируют высокоскоростной подвижной состав под ширину колеи 1435 мм, вследствие чего габаритные показатели таких поездов меньше, чем требуется российскими нормативами. В соответствии с государственным стандартом ширина вагона электропоезда в России должна составлять не менее 3,75 м, в то время как в мире эксплуатируется подвижной состав с шириной около 3 м. Только Talgo Avril спроектирован под различную ширину колеи (от 1435 мм до 1668 мм), однако и у данного подвижного состава габаритные показатели ниже (ширина вагона – 3,2 м). Доработка технологической платформы Talgo под технические требования ВСМ Москва – Казань потребовала бы внесения существенных изменений в конструкцию подвижного состава из-за того, что длина пассажирского вагона Talgo 350 и Talgo Avril составляет 13 м, в то время как вагоны проектируемого в России высокоскоростного подвижного состава будут более 25 м. Другие мировые производители высокоскоростного подвижного состава проектируют пассажирские вагоны приблизительно с теми же параметрами по ширине.

В-третьих, сегодня мировые тенденции направлены на минимизацию нагрузки от осей колесных пар подвижного состава на железнодорожную инфраструктуру. Высокоскоростная магистраль Москва – Казань проектируется под осевые нагрузки 17 тс. При этом в увеличенных российских габаритах вагонов и более жестких климатических условиях решение по разработке подвижного состава под такую осевую нагрузку является беспрецедентным и сопряжено с необходимостью проектирования кузова и внутреннего оборудования поезда с применением композитных или облегченных материалов, что может отразиться на стоимости такого подвижного состава. В-четвертых, реализация ВСМ в России предполагает эксплуатацию подвижного состава на переменном и постоянном родах тока. Это связано с особенностями организации движения на проектируемой трассе (Московский транспортный узел электрифицирован на постоянном токе, в то время как выделенная инфраструктура проектируется под переменный с учетом скоростей движения до 400 км/ч). Из всех представленных на рынке моделей высокоскоростных поездов, сопоставимых по скоростному режиму с техническими требованиями к подвижному составу ВСМ Москва – Казань, двухсистемными являются AGV 575 (Alstom) и Zefiro V300 (Bombardier), курсирующие в Италии. Несмотря на то что максимальная эксплуатационная скорость составляет 360 км/ч, как и в требованиях к подвижному составу ВСМ Москва – Казань, в настоящее время на всей железнодорожной инфраструктуре Италии данные виды подвижного состава не развивают скорости более 300 км/ч (инфраструктура страны не сертифицирована под скорости выше). Это лишний раз доказывает актуальность принятого решения по проектированию и сертификации инфраструктуры линии Москва – Казань с запасом, то есть на скорости 400 км/ч, даже с учетом того, что подвижной состав планируется под меньшую эксплуатационную скорость.

Остальные производители высокоскоростного подвижного состава (для скоростей свыше 250-300 км/ч) сосредотачиваются на одном роде тока – переменном. По приблизительным оценкам оборудование подвижного состава на переменном и постоянном родах тока удорожает его конечную стоимость до 10% (ориентировочно 1-2 млн евро от стоимости поезда). Однако перевод действующей на постоянном токе инфраструктуры, как в Московском транспортном узле, на переменный ток существенно превышает затраты на реализацию двух систем электроснабжения на поезде, не говоря уже о технической сложности данного проектного решения.

Стоит отметить, что в мировой практике существует решение, альтернативное реализации двух систем переменного и постоянного тока на подвижном составе, укладка двух параллельных путей на переменном и постоянном токе. В частности, в Берлине реализовано данное проектное решение, позволяющее эксплуатировать одновременно электричку S-Bahn (постоянный ток) и поезд ВСМ (переменный ток). При этом реализация данного проектного решения на инфраструктуре Московского транспортного узла технически сложна, так как потребуется полная замена тягового электроснабжения, а также линии СЦБ и связи. Между тем в Германии используется другое напряжение на постоянном и переменном токе – 15 kV AC 16,7 Hz, 750V DC. Соответственно, при проектировании в Московском транспортом узле параллельных путей на переменном и постоянном родах тока наводка переменного тока в сети постоянного может достигать 3 kV, что, учитывая уже имеющиеся 3 kV на линии тягового электроснабжения, совершенно недопустимо.

Еще одной отличительной особенностью технических требований к высокоскоростному подвижному составу для трассы ВСМ Москва – Казань является опциональное требование по установке вихретокового тормоза. В настоящее время его использование широко не распространено в мировой практике ВСМ: с таким тормозным оборудованием поставляются поезда ICE 3 (Deutche Bahn) и некоторые модели японских Shinkansen, максимальная эксплуатационная скорость которых – 320-330 км/ч. Наибольшая эффективность использования вихретоковых тормозов возникает при существенных уклонах продольного профиля пути (40‰) и скоростях движения свыше 350 км/ч. Однако с эксплуатацией вихретоковых тормозов связан ряд рисков. Учитывая то, что их работа сопровождается нагревом рельса, использование данного тормозного оборудования может приводить к нарушению стабильности пути. Эксплуатация может также нарушать работу или даже выводить из строя компоненты устройств системы СЦБ. Исходя из этого, окончательное решение об установке вихретокового тормоза на поезда ВСМ будет принято на стадии проектирования.

Сегодня ни один производитель высокоскоростного подвижного состава не выпускает модель, которую можно было бы без дополнительной доработки эксплуатировать по сформированным российским техническим требованиям.

Нормативно-правовая база

В настоящее время в России отсутствуют государственные стандарты, регулирующие высокоскоростные железнодорожные перевозки. Действуют только специальные технические условия, разработанные индивидуально для трассы ВСМ Москва – Казань и устанавливающие требования только к инфраструктуре. Соответственно, при разработке технических требований на высокоскоростной подвижной состав активно использовался зарубежный опыт проектирования. В частности, были взяты на вооружение нормы Евросоюза TSI, последний раз актуализированные в 2014 году. По данным нормативам в настоящее время конструируется подвижной состав не только в Европе, но и в США. При этом в Америке высокоскоростные железнодорожные перевозки пока отсутствуют (высокоскоростной подвижной состав Acela Express не развивает скорости выше 250 км/ч, потому что эксплуатируется не на высокоскоростной, а на обычной (реконструированной) инфраструктуре) и ситуация с собственной нормативно-правовой базой, регулирующей высокоскоростное движение, обстоит относительно так же, как и в Российской Федерации. Только в конце 2016 года Федеральным железнодорожным агентством США (FRA) был утвержден проект законодательного акта, регламентирующего требования к высокоскоростному подвижному составу с максимальной эксплуатационной скоростью свыше 350 км/ч.

Нормы Евросоюза были использованы в части нормативов работы тормозного и тягового оборудования, так как российский государственный стандарт регламентирует тормозные расстояния только для скоростей движения до 300 км/ч, а также только при благоприятных погодных условиях и чистых сухих рельсах. Однако нормы Евросоюза устанавливают тормозные расстояния как при благоприятных, так и при неблагоприятных погодных условиях или при входе в юз колесных пар и срабатывании противоюзных устройств. Учитывая также опыт работы поездов Velaro D на трассе Москва – Санкт-Петербург, для подвижного состава на трассе Москва – Казань были разработаны тормозные пути и при неблагоприятных условиях эксплуатации (табл. 1).

Табл. 1. Отечественные и международные стандарты в области перевозок и эксплуатации (увеличить)

Тот же подход был применен и при разработке требований к тормозному коэффициенту сцепления: государственным стандартом России регламентированы коэффициенты до скорости 300 км/ч, а для разработки технических требований свыше 300 км/ч использованы стандарты Евросоюза.

Техническими требованиями на подвижной состав трассы Москва – Казань устанавливаются более жесткие условия по экологии и безопасности пассажиров на платформе от шумового воздействия по сравнению со стандартами Евросоюза и требованиями США. В частности, предельный уровень шума от проследования поезда составляет 84 дБа, однако это требование актуально при реализации 2/3 от максимальной эксплуатационной скорости, то есть приблизительно при 250 км/ч (требования во всем диапазоне скоростного режима будут установлены производителем). В качестве сравнения: для сопоставимых скоростей движения TSI регламентирует уровень шума 87 дБа, а требования к высокоскоростному подвижному составу в США – 88 дБа.

Технические требования регламентируют основную составность поезда – 12 вагонов с возможностью увеличения до 16 путем включения дополнительных. Также предусматривается еще один вариант составности – 8 вагонов с возможностью эксплуатации по системе многих единиц (8+8), что больше соответствует мировому опыту организации движения на инфраструктуре ВСМ. Предлагаемая вариативность позволяет подстроить подвижной состав под условия изменяющейся внешней среды, в частности при изменении пассажиропотоков и интенсивности эксплуатации линии ВСМ.

Ситуация с локализацией

Для линии ВСМ Москва – Казань предполагается поэтапно локализовать производство более 30 единиц 12-вагонного высокоскоростного подвижного состава, доведя в конечном итоге уровень локализации до 60-80%.

В настоящее время в мире немного примеров локализации производства высокоскоростного подвижного состава. Бóльшая часть находится в Китае. В 2009 году Bombardier локализовала в Китае практически 100% производства подвижного состава модели Zefiro380 (под наименованием CRH380D), а ранее там было локализовано производство высокоскоростного подвижного состава Velaro (выпускался под наименованием CRH3). Следует обратить внимание на то, что после успешных примеров по локализации производства Китай начал проектировать и разрабатывать собственный подвижной состав. В 2017 году в эксплуатацию поступил первый китайский сертифицированный высокоскоростной подвижной состав CR400AF.

Таким образом, локализация производства способствует реализации целей и задач Стратегии развития транспортного машиностроения России до 2030 года, а впоследствии – Стратегии развития экспорта железнодорожного машиностроения России.

Ю. З. Саакян, к.ф-м.н., генеральный директор ИПЕМ

В. Б. Савчук, заместитель генерального директора ИПЕМ

С. С. Оленин, ведущий эксперт-аналитик отдела комплексных исследований ИПЕМ

Техника железных дорог,
№ 3 (39) август 2017

Также по теме: