Скоростной внеуличный транспорт на основе линейного тягового электропривода (2000)
Статья инженера МГУПС А.М.Григоровича, кандидата технических наук Г.И.Оганесова и кандидата технических наук из "Прогрессэлектро" Ю.У.Мавлянбекова "Скоростной внеуличный транспорт на основе линейного тягового электропривода" из журнала "Метро" №3-4 за 2000 год:
Немного истории
В начале XX века для обеспечения массовых пассажироперевозок в крупных городах во всём мире начал интенсивно развиваться рельсовый транспорт - метрополитен и трамвай. Однако в 50-70-е годы в связи с бурной автомобилизацией в западных странах трамвайные линии подверглись массовой ликвидации в расчёте на то, что легковой автотранспорт решит проблемы перевозок пассажиров. Однако оказалось, что несмотря на огромные вложения средств в строительство дорог и транспортных развязок, количество "пробок" на дорогах росло, а скорость сообщения на наземном транспорте падала.
Такое положение дел предопределило принятие сессией МСОТ в 1975 г. решения о возрождении рельсового транспорта в городах, но уже на новой технической основе с приданием ему статуса легкорельсового транспорта (ЛРТ). ЛРТ экологически чище и в несколько раз экономичнее автобуса и легкового автомобиля, и он стал доминирующим в странах с рыночной экономикой.
Объективно между метрополитеном, перевозящим до 50 тыс пасс/ч и наземным транспортом существует ниша неохватываемого пассажиропотока в 10-25 тыс чел/час, для которой метрополитен недоиспользуется по своим возможностям и имеет очень высокую стоимость, а наземный транспорт не способен перевезти этот поток пассажиров. За рубежом для этой ниши за последние 20-25 лет, кроме ЛРТ, разработан и эксплуатируется ещё ряд транспортных систем.
В любом крупном городе, как правило, имеются несколько пассажирообразующих направлений, где необходим скоростной транспорт. В крупных мегаполисах таких направлений десятки. Выбор транспортной системы, как правило, предопределён размером пассажиропотока (число тысяч пассажиров в час в одном направлении) и скоростью сообщения (км/ч). Пассажиропоток обеспечивается, прежде всего, вместимостью транспортных средств и количеством подвижных единиц в составе поезда, а скорость определяется, главным образом, наличием обособленной трассы, что в условиях города чаще всего приводит к строительству тоннелей, реже эстакад.
Тоннели ассоциируются с метрополитенами, а эстакады с монорельсовым транспортом на пневмоколесах. И то, и другое относится к скоростному внеуличному транспорту (СВТ). Однако метрополитен дóрог, а монорельсовый транспорт требует бóльших энергозатрат, чем рельсовый транспорт, и в условиях российского климата его эксплуатация связана с проблемами по очистке полосы движения от снега, льда, что не так просто выполнять на эстакадах. Возможна и наземная прокладка СВТ, но это создаёт серьезные неудобства.
В России для 35 крупнейших городов достаточно остро стоит проблема развития общественного транспорта. Недоразвитость российского общественного транспорта однозначно способствует повышению социальной напряжённости, а ущербная транспортная инфраструктура в городах и регионах России отталкивает потенциальных инвесторов. Это актуально и для других развивающихся стран. В России к СВТ можно отнести лишь метрополитен, но его строительство и дальнейшая безопасная эксплуатация требуют огромных финансовых затрат, а потребность в СВТ составляет сотни километров.
Не повторяя ошибок развитых стран, допущенных четверть века назад, ускоренного развития транспортной инфраструктуры в городах и регионах России можно достичь при переходе на новые транспортные технологии, что требует определенного пересмотра взглядов на структуру и развитие транспорта и транспортной инфраструктуры.
Одним из направлений в этом плане является переход на новый принцип тяги.
Принцип тяги (движения), применяемый сейчас на метрополитене, трамвае, основан на физическом явлении - трении качения (сцеплении колеса с рельсом). Передача и преобразование энергии при этом сводится к тому, что снимаемая с контактного провода (третьего рельса) скользящим контактом электрическая энергия преобразуется в механическую посредством вращающихся тяговых электрических двигателей. Тяговый двигатель, как известно, через тяговую муфту, редуктор соединён с колесом, которое за счёт сил трения (сцепления) с рельсом преобразует вращательное движение тягового двигателя в поступательное движение поезда. Другими словами, колесо, снабжённое приводом, выполняет двойственную функцию, являясь и "движителем", и опорой транспортного средства, а колесо, неснабжённое приводом, выполняет только функцию опоры.
Однако перед "колесом-движителем" существует многозвенная система передачи и преобразования энергии: тяговая подстанция - контактный провод - скользящий контакт - тяговый двигатель - тяговая муфта - редуктор - контакт "колесо-рельс" (механическое сцепление) - электрический контакт "колесо-рельс" - рельсы - тяговая подстанция. В каждом звене есть потери энергии и, если принять КПД каждого звена передачи и преобразования энергии в среднем 0.92-0.96, то общий КПД традиционной транспортной системы не превысит 0.5-0.6. В эксплуатационных условиях, когда устройства энергоснабжения, тяговые двигатели, редукторы работают значительное время в режимах, далёких от номинальных, общий КПД транспортной системы будет заведомо ниже указанного.
Итак, первый путь экономии ресурсов и упрощения системы - сокращение числа звеньев передачи и преобразования энергии, что возможно в транспортных системах при изменении принципа тяги.
Основные компоненты такой транспортной системы, как метрополитен, на сегодняшний день достаточно конструктивно совершенны и технологически отработаны. Их улучшение, как показывает многолетняя практика, не может существенно повысить эффективность в части ресурсов и энергосбережения, снижения техногенного воздействия на человека и окружающую среду. Общепризнанно, что радикального улучшения показателей технических устройств, в том числе и транспортных систем, можно достичь при переходе на принципиально новые технологии, что всегда дает многократный, а не на проценты, выигрыш по эффективности. Яркий пример тому - развитие информатики, электроники.
Существует и ещё правило, указывающее на то, что отставание в какой-либо технологии лет на десять - это отставание навсегда. Мы в области развития СВТ отстали лет на 20-25, а некритичное заимствование зарубежных технологий, как правило, отбрасывает нас ещё дальше.
Масса тары подвижного состава - определяющий фактор совершенствования СВТ
Затраты на инфраструктуру, энергозатраты на тягу поездов, экологическое и техногенное воздействие на человека и окружающую среду во многом зависят от массы подвижного состава и скорости движения. Следует признать, что показатель - масса тары вагона, приходящаяся на пассажира (кг тары/пасс), - мера совершенства подвижного состава. Очевидно, что чем меньше масса подвижного состава, тем ниже техногенное воздействие от подвижного состава на инфраструктуру (тоннели, эстакады), окружающие здания и сооружения. От массы подвижного состава прямо зависит материалоёмкость, а соответственно и стоимость всей инфраструктуры.
Пешеходные мосты всегда легче тех, по которым движутся транспортные средства. От массы подвижного состава зависит уровень вибрации. Действующими СНиП установлен норматив для метрополитенов мелкого заложения, по которому определен "коридор" шириной более 100 м, где не рекомендуется из-за вибраций строить здания. Норма обоснованная, но антирыночная, так как земля - одно из основных богатств города, и её недоиспользование - прямые убытки города. А приемлемое снижение вибраций, вызываемых подвижным составом в действующих, да и в строящихся метрополитенах при существующей массе подвижного состава, дорогостоящее мероприятие.
От массы подвижного состава зависит длительность жизненного цикла транспортной инфраструктуры, в том числе и тоннелей. Слишком оптимистично считать, что тоннели прослужат бесконечно долго. Тоннели Московского метрополитена, как ни одни в мире, через каждые 1-3 мин испытывают мощнейшее воздействие движущихся поездов массой 300-400 т. Этот своеобразный вибратор оказывает незаметное разрушающее воздействие на тоннели изо дня в день. Продление срока службы тоннелей (а это самая дорогостоящая часть инфраструктуры) зависит от снижения массы движущихся поездов и интенсивности воздействия нагрузок. Андреевский мост в Москве прослужил более 100 лет под поездной нагрузкой и ещё долго прослужит в качестве пешеходного, но тоннели метрополитена мы не можем сделать пешеходными.
От массы подвижного состава зависит расход электроэнергии на тягу поездов, установленная мощность и масса как стационарных устройств, так и электрооборудования, размещённого в вагонах. От массы подвижного состава и качества применяемых в нём материалов зависит и его цена. От массы и конструкции подвижного состава зависит безопасность перевозок, которая, в конечном счёте, определяется запасом прочности, заложенным в инфраструктуру. Поэтому снижение массы подвижного состава увеличивает запас прочности всех действующих и вновь строящихся метрополитенов, а соответственно, и безопасность перевозок.
Масса тары вагонов метрополитена сейчас в среднем превосходит в 2 раза массу перевозимых пассажиров и составляет 200-250 кг на пассажира. Не допуская большой ошибки, можно принять, что в заполненном вагоне 1/3 массы составляют пассажиры, 1/3 массы - кузов и 1/3 - ходовая часть. Массу собственно кузова можно уменьшить в 2-2.5 раза, применяя новые материалы, например, композитные. На базе авиационных технологий это осуществимое, но дорогостоящее мероприятие, а в рамках традиционного принципа тяги, основанного на сцеплении "колесо-рельс", в сущности - малоэффективное для транспортной системы в целом. Более продуктивен путь - уменьшать массу подвижного состава и габариты, изменяя конструкцию ходовой части. Однако без изменения принципа тяги уменьшить габариты и массу ходовой части - задача не простая для вариантов метрополитена из-за условий размещения тягового привода при требуемой энерговооруженности около 8 кВт на 1 т массы вагона.
На современном уровне знаний заменить в метрополитене принцип тяги, основанный на сцеплении "колесо-рельс", можно при переходе на тягу реактивными двигателями или электромагнитным полем посредством линейных электрических двигателей. Реактивные двигатели исключаются априори, а применение линейных электрических двигателей в транспортных системах в качестве тяговых известно и достаточно широко апробировано.
Использование линейных тяговых двигателей в транспортных системах, зарубежные аналоги
За последние 20-25 лет за рубежом проведены широкомасштабные и дорогостоящие исследования в области высокоскоростного транспорта на магнитном подвесе, где колесо заменено электромагнитами, а вращающиеся тяговые двигатели - линейными (система "Transrapid-07" в Германии, и "MLU-003" в Японии).
Из исследований по транспорту на магнитном подвесе принципиально важен вывод:
- вагоны имеют массу тары на одного пассажира для "Transrapid-07" - 450 кг, а для "MLU-003" - 250 кг, что меньше в 2-3 раза, чем у колёснорельсового транспорта этого класса, где этот показатель равен 800-1000 кг;
- сокращено количество звеньев передачи и преобразования энергии;
- энергопотребление, по оценкам немецких специалистов, у "Transrapid-07" ниже на 30%, чем у колёснорельсового поезда ICE при сопоставимых скоростях движения.
Уменьшение массы подвижного состава в этих системах - результат замены принципа тяги, но не замены колеса, как опоры, электромагнитами. Если сопоставить удельную грузоподъёмность и стоимостные показатели "электромагнитных" колёс, включая всю инфраструктуру, обеспечивающую их работоспособность и надёжное функционирование, то окажется, что колесо пока проще и надёжнее в качестве опоры транспортного средства, чем магнитный подвес. Колесу эффектной замены пока нет, и это должно усилить поиск альтернативных устройств в качестве опоры транспортных средств.
Для СВТ на сегодняшний день наиболее перспективны колёснорельсовые транспортные системы с приводом от линейных двигателей (рис. 1).
Одна из первых таких систем эксплуатируется с 1986 г. в Ванкувере (Канада). Её длина 21.4 км (из них на эстакаде - 16.6 км, в тоннеле - 1.3 км, по земле - 3.5 км. В Осаке и Токио (Япония) по такой схеме с 1990 г. эксплуатируется и расширяется метрополитен с меньшими габаритами.
Под каждой двухосной тележкой вагона размещена первичная часть (индуктор) линейного асинхронного двигателя, а по оси пути на уровне головок рельсов - вторичная часть (реактивная шина) линейного двигателя (рис. 2).
Принцип создания тяги следующий. Напряжение, снимаемое с контактного провода через инвертор, подается на индуктор, где создается бегущее электромагнитное поле, которое взаимодействуя с реактивной шиной, уложенной между рельсами, создаёт силу тяги и приводит поезд в движение. Скорость движения до 70-80 км/ч, и эта скорость для такой системы близка к предельной, так как ограничена выбранной компоновкой тягового привода и типом тягового (в данном случае асинхронного) линейного двигателя.
Эксплуатируемые колёснорельсовые транспортные системы на новом принципе тяги имеют ряд достоинств:
- капитальные затраты при строительстве, по утверждениям японских специалистов, снижены на 25-30%, в основном за счёт уменьшения внутреннего диаметра тоннеля с 5.1 до 4.0 м (рис. 3);
- давление колеса на рельс доведено до 5-6 т/ось (против 13-14 т/ось у метрополитена), что существенно облегчает борьбу с вибрацией и шумом.
Транспортная система с линейным асинхронным двигателем менее энергоёмка, чем при вращающихся тяговых двигателях. Это прямой результат сокращения числа звеньев в передаче и преобразовании энергии, так как у вращающихся двигателей энергетические показатели выше, чем у линейных.
Совершенствование СВТ с линейными двигателями
Для условий эксплуатации в России созданные в Канаде и Японии колёсно-рельсовые транспортные системы в качестве СВТ не подходят по следующим причинам:
- конструкция и компоновка ходовой части допускает попадание в зазор линейного двигателя снега, льда, что в наших климатических условиях и при нашей культуре эксплуатации практически исключает их применение на эстакадах и по земле;
- из-за недостаточной скорости нецелесообразно их применение для связи "аэропорт-город", "город-агломерация", в то время как рынок для такого транспорта в России составляет сотни километров;
- низкие энергетические показатели применённого линейного асинхронного двигателя существенно снижают эффективность в части энергопотребления, так как затраты на тягу поездов составляют примерно 80% от общих энергозатрат.
В отличие от западных аналогов транспортная система, в которой в качестве тягового двигателя использован линейный синхронный двигатель и применена другая компоновка ходовой части, свободна от указанных недостатков и имеет ряд дополнительных преимуществ (рис. 4). Особенности предлагаемой конструкции заключается в том, что снаружи рельсовых нитей установлены боковые направляющие, на которых размещена пассивная ферромагнитная часть линейного синхронного двигателя. Вторая часть (индуктор) закреплена на боковых сторонах ходовой части. На указанных направляющих размещена также и система токоподвода. В транспортной системе принцип тяги электромагнитным полем тот же. При подаче напряжения на индуктор синхронного линейного двигателя образуется бегущее магнитное поле, которое, взаимодействуя с ферромагнитной структурой, создает силу тяги.
По сравнению с традиционным транспортом, например, метрополитеном, СВТ с линейным двигателем по предлагаемой схеме может обеспечить:
- снижение массы подвижного состава в 1.8-2.0 раза;
- снижение энергопотребления на тягу до 10-15 Вт-ч/пасс-км (для трамвая и метро - 30-45);
- уменьшение давления колёс на рельсы в 2-3 раза;
- уменьшение габаритов ходовой части вагона на 0.6-0.8 м по высоте;
- уменьшение диаметра тоннеля и за счёт этого капитальных затрат на 25-30%;
- снижение шума и вибрации;
- уменьшение полосы отвода земли при мелком заложении;
- возможность стабилизации колёс относительно рельсовой колеи линейным синхронным двигателем;
- улучшение динамики разгона и торможения и повышение скорости сообщения;
- принципиальное изменение режима рекуперации энергии.
Предлагаемая технология наиболее эффективна в следующих случаях:
- при новом строительстве линий СВТ в городах, где пассажирские потоки на основных направлениях не превышают 25 тыс. пассажиров в час пик;
- на второстепенных пассажирообразующих направлениях в городах с действующими метрополитенами;
- для связи с линиями железных дорог, города и агломерации, города и аэропорта, города и зон отдыха.
Кроме того, перевод действующих метрополитенов на эту технологию позволит существенно сократить эксплуатационные затраты и продлить срок службы тоннелей, как самой дорогостоящей части инфраструктуры метрополитена.
Немного истории
В начале XX века для обеспечения массовых пассажироперевозок в крупных городах во всём мире начал интенсивно развиваться рельсовый транспорт - метрополитен и трамвай. Однако в 50-70-е годы в связи с бурной автомобилизацией в западных странах трамвайные линии подверглись массовой ликвидации в расчёте на то, что легковой автотранспорт решит проблемы перевозок пассажиров. Однако оказалось, что несмотря на огромные вложения средств в строительство дорог и транспортных развязок, количество "пробок" на дорогах росло, а скорость сообщения на наземном транспорте падала.
Такое положение дел предопределило принятие сессией МСОТ в 1975 г. решения о возрождении рельсового транспорта в городах, но уже на новой технической основе с приданием ему статуса легкорельсового транспорта (ЛРТ). ЛРТ экологически чище и в несколько раз экономичнее автобуса и легкового автомобиля, и он стал доминирующим в странах с рыночной экономикой.
Объективно между метрополитеном, перевозящим до 50 тыс пасс/ч и наземным транспортом существует ниша неохватываемого пассажиропотока в 10-25 тыс чел/час, для которой метрополитен недоиспользуется по своим возможностям и имеет очень высокую стоимость, а наземный транспорт не способен перевезти этот поток пассажиров. За рубежом для этой ниши за последние 20-25 лет, кроме ЛРТ, разработан и эксплуатируется ещё ряд транспортных систем.
В любом крупном городе, как правило, имеются несколько пассажирообразующих направлений, где необходим скоростной транспорт. В крупных мегаполисах таких направлений десятки. Выбор транспортной системы, как правило, предопределён размером пассажиропотока (число тысяч пассажиров в час в одном направлении) и скоростью сообщения (км/ч). Пассажиропоток обеспечивается, прежде всего, вместимостью транспортных средств и количеством подвижных единиц в составе поезда, а скорость определяется, главным образом, наличием обособленной трассы, что в условиях города чаще всего приводит к строительству тоннелей, реже эстакад.
Тоннели ассоциируются с метрополитенами, а эстакады с монорельсовым транспортом на пневмоколесах. И то, и другое относится к скоростному внеуличному транспорту (СВТ). Однако метрополитен дóрог, а монорельсовый транспорт требует бóльших энергозатрат, чем рельсовый транспорт, и в условиях российского климата его эксплуатация связана с проблемами по очистке полосы движения от снега, льда, что не так просто выполнять на эстакадах. Возможна и наземная прокладка СВТ, но это создаёт серьезные неудобства.
В России для 35 крупнейших городов достаточно остро стоит проблема развития общественного транспорта. Недоразвитость российского общественного транспорта однозначно способствует повышению социальной напряжённости, а ущербная транспортная инфраструктура в городах и регионах России отталкивает потенциальных инвесторов. Это актуально и для других развивающихся стран. В России к СВТ можно отнести лишь метрополитен, но его строительство и дальнейшая безопасная эксплуатация требуют огромных финансовых затрат, а потребность в СВТ составляет сотни километров.
Не повторяя ошибок развитых стран, допущенных четверть века назад, ускоренного развития транспортной инфраструктуры в городах и регионах России можно достичь при переходе на новые транспортные технологии, что требует определенного пересмотра взглядов на структуру и развитие транспорта и транспортной инфраструктуры.
Одним из направлений в этом плане является переход на новый принцип тяги.
Принцип тяги (движения), применяемый сейчас на метрополитене, трамвае, основан на физическом явлении - трении качения (сцеплении колеса с рельсом). Передача и преобразование энергии при этом сводится к тому, что снимаемая с контактного провода (третьего рельса) скользящим контактом электрическая энергия преобразуется в механическую посредством вращающихся тяговых электрических двигателей. Тяговый двигатель, как известно, через тяговую муфту, редуктор соединён с колесом, которое за счёт сил трения (сцепления) с рельсом преобразует вращательное движение тягового двигателя в поступательное движение поезда. Другими словами, колесо, снабжённое приводом, выполняет двойственную функцию, являясь и "движителем", и опорой транспортного средства, а колесо, неснабжённое приводом, выполняет только функцию опоры.
Однако перед "колесом-движителем" существует многозвенная система передачи и преобразования энергии: тяговая подстанция - контактный провод - скользящий контакт - тяговый двигатель - тяговая муфта - редуктор - контакт "колесо-рельс" (механическое сцепление) - электрический контакт "колесо-рельс" - рельсы - тяговая подстанция. В каждом звене есть потери энергии и, если принять КПД каждого звена передачи и преобразования энергии в среднем 0.92-0.96, то общий КПД традиционной транспортной системы не превысит 0.5-0.6. В эксплуатационных условиях, когда устройства энергоснабжения, тяговые двигатели, редукторы работают значительное время в режимах, далёких от номинальных, общий КПД транспортной системы будет заведомо ниже указанного.
Итак, первый путь экономии ресурсов и упрощения системы - сокращение числа звеньев передачи и преобразования энергии, что возможно в транспортных системах при изменении принципа тяги.
Основные компоненты такой транспортной системы, как метрополитен, на сегодняшний день достаточно конструктивно совершенны и технологически отработаны. Их улучшение, как показывает многолетняя практика, не может существенно повысить эффективность в части ресурсов и энергосбережения, снижения техногенного воздействия на человека и окружающую среду. Общепризнанно, что радикального улучшения показателей технических устройств, в том числе и транспортных систем, можно достичь при переходе на принципиально новые технологии, что всегда дает многократный, а не на проценты, выигрыш по эффективности. Яркий пример тому - развитие информатики, электроники.
Существует и ещё правило, указывающее на то, что отставание в какой-либо технологии лет на десять - это отставание навсегда. Мы в области развития СВТ отстали лет на 20-25, а некритичное заимствование зарубежных технологий, как правило, отбрасывает нас ещё дальше.
Масса тары подвижного состава - определяющий фактор совершенствования СВТ
Затраты на инфраструктуру, энергозатраты на тягу поездов, экологическое и техногенное воздействие на человека и окружающую среду во многом зависят от массы подвижного состава и скорости движения. Следует признать, что показатель - масса тары вагона, приходящаяся на пассажира (кг тары/пасс), - мера совершенства подвижного состава. Очевидно, что чем меньше масса подвижного состава, тем ниже техногенное воздействие от подвижного состава на инфраструктуру (тоннели, эстакады), окружающие здания и сооружения. От массы подвижного состава прямо зависит материалоёмкость, а соответственно и стоимость всей инфраструктуры.
Пешеходные мосты всегда легче тех, по которым движутся транспортные средства. От массы подвижного состава зависит уровень вибрации. Действующими СНиП установлен норматив для метрополитенов мелкого заложения, по которому определен "коридор" шириной более 100 м, где не рекомендуется из-за вибраций строить здания. Норма обоснованная, но антирыночная, так как земля - одно из основных богатств города, и её недоиспользование - прямые убытки города. А приемлемое снижение вибраций, вызываемых подвижным составом в действующих, да и в строящихся метрополитенах при существующей массе подвижного состава, дорогостоящее мероприятие.
От массы подвижного состава зависит длительность жизненного цикла транспортной инфраструктуры, в том числе и тоннелей. Слишком оптимистично считать, что тоннели прослужат бесконечно долго. Тоннели Московского метрополитена, как ни одни в мире, через каждые 1-3 мин испытывают мощнейшее воздействие движущихся поездов массой 300-400 т. Этот своеобразный вибратор оказывает незаметное разрушающее воздействие на тоннели изо дня в день. Продление срока службы тоннелей (а это самая дорогостоящая часть инфраструктуры) зависит от снижения массы движущихся поездов и интенсивности воздействия нагрузок. Андреевский мост в Москве прослужил более 100 лет под поездной нагрузкой и ещё долго прослужит в качестве пешеходного, но тоннели метрополитена мы не можем сделать пешеходными.
От массы подвижного состава зависит расход электроэнергии на тягу поездов, установленная мощность и масса как стационарных устройств, так и электрооборудования, размещённого в вагонах. От массы подвижного состава и качества применяемых в нём материалов зависит и его цена. От массы и конструкции подвижного состава зависит безопасность перевозок, которая, в конечном счёте, определяется запасом прочности, заложенным в инфраструктуру. Поэтому снижение массы подвижного состава увеличивает запас прочности всех действующих и вновь строящихся метрополитенов, а соответственно, и безопасность перевозок.
Масса тары вагонов метрополитена сейчас в среднем превосходит в 2 раза массу перевозимых пассажиров и составляет 200-250 кг на пассажира. Не допуская большой ошибки, можно принять, что в заполненном вагоне 1/3 массы составляют пассажиры, 1/3 массы - кузов и 1/3 - ходовая часть. Массу собственно кузова можно уменьшить в 2-2.5 раза, применяя новые материалы, например, композитные. На базе авиационных технологий это осуществимое, но дорогостоящее мероприятие, а в рамках традиционного принципа тяги, основанного на сцеплении "колесо-рельс", в сущности - малоэффективное для транспортной системы в целом. Более продуктивен путь - уменьшать массу подвижного состава и габариты, изменяя конструкцию ходовой части. Однако без изменения принципа тяги уменьшить габариты и массу ходовой части - задача не простая для вариантов метрополитена из-за условий размещения тягового привода при требуемой энерговооруженности около 8 кВт на 1 т массы вагона.
На современном уровне знаний заменить в метрополитене принцип тяги, основанный на сцеплении "колесо-рельс", можно при переходе на тягу реактивными двигателями или электромагнитным полем посредством линейных электрических двигателей. Реактивные двигатели исключаются априори, а применение линейных электрических двигателей в транспортных системах в качестве тяговых известно и достаточно широко апробировано.
Использование линейных тяговых двигателей в транспортных системах, зарубежные аналоги
За последние 20-25 лет за рубежом проведены широкомасштабные и дорогостоящие исследования в области высокоскоростного транспорта на магнитном подвесе, где колесо заменено электромагнитами, а вращающиеся тяговые двигатели - линейными (система "Transrapid-07" в Германии, и "MLU-003" в Японии).
Из исследований по транспорту на магнитном подвесе принципиально важен вывод:
- вагоны имеют массу тары на одного пассажира для "Transrapid-07" - 450 кг, а для "MLU-003" - 250 кг, что меньше в 2-3 раза, чем у колёснорельсового транспорта этого класса, где этот показатель равен 800-1000 кг;
- сокращено количество звеньев передачи и преобразования энергии;
- энергопотребление, по оценкам немецких специалистов, у "Transrapid-07" ниже на 30%, чем у колёснорельсового поезда ICE при сопоставимых скоростях движения.
Уменьшение массы подвижного состава в этих системах - результат замены принципа тяги, но не замены колеса, как опоры, электромагнитами. Если сопоставить удельную грузоподъёмность и стоимостные показатели "электромагнитных" колёс, включая всю инфраструктуру, обеспечивающую их работоспособность и надёжное функционирование, то окажется, что колесо пока проще и надёжнее в качестве опоры транспортного средства, чем магнитный подвес. Колесу эффектной замены пока нет, и это должно усилить поиск альтернативных устройств в качестве опоры транспортных средств.
Для СВТ на сегодняшний день наиболее перспективны колёснорельсовые транспортные системы с приводом от линейных двигателей (рис. 1).
Одна из первых таких систем эксплуатируется с 1986 г. в Ванкувере (Канада). Её длина 21.4 км (из них на эстакаде - 16.6 км, в тоннеле - 1.3 км, по земле - 3.5 км. В Осаке и Токио (Япония) по такой схеме с 1990 г. эксплуатируется и расширяется метрополитен с меньшими габаритами.
Под каждой двухосной тележкой вагона размещена первичная часть (индуктор) линейного асинхронного двигателя, а по оси пути на уровне головок рельсов - вторичная часть (реактивная шина) линейного двигателя (рис. 2).
Принцип создания тяги следующий. Напряжение, снимаемое с контактного провода через инвертор, подается на индуктор, где создается бегущее электромагнитное поле, которое взаимодействуя с реактивной шиной, уложенной между рельсами, создаёт силу тяги и приводит поезд в движение. Скорость движения до 70-80 км/ч, и эта скорость для такой системы близка к предельной, так как ограничена выбранной компоновкой тягового привода и типом тягового (в данном случае асинхронного) линейного двигателя.
Эксплуатируемые колёснорельсовые транспортные системы на новом принципе тяги имеют ряд достоинств:
- капитальные затраты при строительстве, по утверждениям японских специалистов, снижены на 25-30%, в основном за счёт уменьшения внутреннего диаметра тоннеля с 5.1 до 4.0 м (рис. 3);
- давление колеса на рельс доведено до 5-6 т/ось (против 13-14 т/ось у метрополитена), что существенно облегчает борьбу с вибрацией и шумом.
Транспортная система с линейным асинхронным двигателем менее энергоёмка, чем при вращающихся тяговых двигателях. Это прямой результат сокращения числа звеньев в передаче и преобразовании энергии, так как у вращающихся двигателей энергетические показатели выше, чем у линейных.
Совершенствование СВТ с линейными двигателями
Для условий эксплуатации в России созданные в Канаде и Японии колёсно-рельсовые транспортные системы в качестве СВТ не подходят по следующим причинам:
- конструкция и компоновка ходовой части допускает попадание в зазор линейного двигателя снега, льда, что в наших климатических условиях и при нашей культуре эксплуатации практически исключает их применение на эстакадах и по земле;
- из-за недостаточной скорости нецелесообразно их применение для связи "аэропорт-город", "город-агломерация", в то время как рынок для такого транспорта в России составляет сотни километров;
- низкие энергетические показатели применённого линейного асинхронного двигателя существенно снижают эффективность в части энергопотребления, так как затраты на тягу поездов составляют примерно 80% от общих энергозатрат.
В отличие от западных аналогов транспортная система, в которой в качестве тягового двигателя использован линейный синхронный двигатель и применена другая компоновка ходовой части, свободна от указанных недостатков и имеет ряд дополнительных преимуществ (рис. 4). Особенности предлагаемой конструкции заключается в том, что снаружи рельсовых нитей установлены боковые направляющие, на которых размещена пассивная ферромагнитная часть линейного синхронного двигателя. Вторая часть (индуктор) закреплена на боковых сторонах ходовой части. На указанных направляющих размещена также и система токоподвода. В транспортной системе принцип тяги электромагнитным полем тот же. При подаче напряжения на индуктор синхронного линейного двигателя образуется бегущее магнитное поле, которое, взаимодействуя с ферромагнитной структурой, создает силу тяги.
По сравнению с традиционным транспортом, например, метрополитеном, СВТ с линейным двигателем по предлагаемой схеме может обеспечить:
- снижение массы подвижного состава в 1.8-2.0 раза;
- снижение энергопотребления на тягу до 10-15 Вт-ч/пасс-км (для трамвая и метро - 30-45);
- уменьшение давления колёс на рельсы в 2-3 раза;
- уменьшение габаритов ходовой части вагона на 0.6-0.8 м по высоте;
- уменьшение диаметра тоннеля и за счёт этого капитальных затрат на 25-30%;
- снижение шума и вибрации;
- уменьшение полосы отвода земли при мелком заложении;
- возможность стабилизации колёс относительно рельсовой колеи линейным синхронным двигателем;
- улучшение динамики разгона и торможения и повышение скорости сообщения;
- принципиальное изменение режима рекуперации энергии.
Предлагаемая технология наиболее эффективна в следующих случаях:
- при новом строительстве линий СВТ в городах, где пассажирские потоки на основных направлениях не превышают 25 тыс. пассажиров в час пик;
- на второстепенных пассажирообразующих направлениях в городах с действующими метрополитенами;
- для связи с линиями железных дорог, города и агломерации, города и аэропорта, города и зон отдыха.
Кроме того, перевод действующих метрополитенов на эту технологию позволит существенно сократить эксплуатационные затраты и продлить срок службы тоннелей, как самой дорогостоящей части инфраструктуры метрополитена.