Повышение скорости движения
поездов на железных дорогах Китая

В процессе повышения скорости движения поездов на действующих линиях железных дорог Китая (CR) пришлось решать сложные технические задачи. Однако разработка и внедрение ряда новых технологий на нескольких направлениях развития разных отраслей железнодорожного хозяйства позволили добиться желаемых результатов.

Технический прогресс

С того времени (1 апреля 1997 г.), когда министерство железнодорожного транспорта Китая обнародовало программу повышения скорости движения поездов, максимальная скорость пассажирских поездов на основных магистральных линиях страны, ранее не превышавшая 110 км/ч, достигла 160 км/ч, а на некоторых линиях — и 200 км/ч. Уже в 2002 г. длина участков, на которых поезда стали обращаться с повышенной скоростью, составила более 13,8 тыс. км, или 70 % общей длины основных железнодорожных магистралей.

Работы по повышению скорости движения пассажирских поездов были сосредоточены в регионах крупнейших городов Китая — Пекина, Шанхая и Гуанчжоу. Удалось обеспечить пассажирам возможность совершать поездки туда и обратно на расстояние до 500 км от указанных городов в течение одного дня. Кроме того, стало возможным, отправившись из одного из этих городов вечером, прибыть в пункт назначения, находящийся на расстоянии до 1500 км, на следующее утро или совершить поездку на расстояние 2000 – 2500 км в течение одних суток.

Для достижения таких результатов понадобилось ввести в эксплуатацию 1290 локомотивов и 3740 пассажирских вагонов с увеличенной конструкционной скоростью, уложить примерно 6,1 млн. новых усиленных шпал, 5450 км бесстыкового пути и 8455 рассчитанных на повышенную скорость проследования стрелочных переводов, реконструировать 1485 мостов и путепроводов, обустроить около 4000 км линий четырехзначной автоблокировкой, смонтировать более 6800 комплектов аппаратуры автоматической локомотивной сигнализации, ликвидировать более 1900 переездов, частично заменив их развязками в разных уровнях, и установить защитные ограждения общей длиной более 5130 км. Примененные при этом инновационные технические решения позволили не только повысить скорость движения поездов, но также улучшить ситуацию с безопасностью движения и ускорить общее развитие железнодорожного транспорта и смежных отраслей промышленности.

Проблемы

Повышение скорости движения поездов на действующих линиях железных дорог Китая осложняется рядом обстоятельств, важнейшими из которых являются следующие.

Все строившиеся ранее линии CR проектировались исходя из максимальной скорости движения поездов не более 120 км/ч. Для основных магистралей характерно смешанное движение пассажирских и грузовых поездов, причем эти поезда принадлежат к разным скоростным категориям. Не говоря о том, что повышение максимальной скорости движения поездов до 140 – 160 км/ч связано с огромным объемом работ по реконструкции инфраструктуры, смягчению имеющихся крутых уклонов и кривых малого радиуса, замене стрелочных переводов на новые, допускающие более высокую скорость следования поездов, а также увеличению несущей способности мостов и путепроводов, такое повышение влечет за собой возрастание разницы в скорости поездов разных категорий, а это затрудняет прокладку оптимального графика и может привести к снижению пропускной способности. В условиях недостатка перевозочной мощности основных магистральных линий CR это неприемлемо.

Повышение скорости движения пассажирских поездов до 160 км/ч (при том, что на этих же линиях обращаются грузовые поезда массой 5000 т и более) с сохранением прежней пропускной способности интенсивно эксплуатируемых линий порождает проблемы беспрецедентной для мирового опыта сложности.

Основные
технические аспекты

В 1995 г. министерство железнодорожного транспорта (MOR) и Академия железнодорожных наук (CARS) Китая создали рабочую группу по развитию скоростного движения на железных дорогах страны. Группе было поручено изыскать пути решения данной задачи с технической точки зрения, для чего к ее работе привлекли специалистов 34 научных и учебных заведений, промышленных предприятий соответствующего профиля и административных органов.

В процессе работы были выделены несколько основных направлений решения технических проблем.

Развитие теории взаимодействия
в системе колесо — рельс

Под руководством специалистов CARS были проведены научные исследования динамического взаимодействия подвижного состава и пути и более глубоко колеса и рельса применительно к эксплуатационным условиям CR с учетом одновременного обращения пассажирских и тяжеловесных грузовых поездов. Основная цель заключалась в определении характеристик рессорного подвешивания перспективного подвижного состава и геометрических параметров путевой структуры действующих линий.

Новые достижения в теоретических исследованиях системы колесо — рельс можно подразделить на четыре аспекта:

• применение метода негладких комбинаций с чувствительной длиной волны в динамическом анализе. С использованием этого метода можно получить такие динамические показатели, как силы во взаимодействии колеса и рельса, коэффициент схода с рельсов и вибрационные ускорения с вариациями негладкой длины волны для локомотивов и вагонов разных типов и серий с учетом индивидуальных характеристик негладкости, а также геометрических параметров пути в трех измерениях. Это позволяет определить различные значения негладкой чувствительной длины волны и затем, интегрируя эти значения, изучить динамическое поведение подвижного состава под воздействием многих факторов;
• углубление теории устойчивости нелинейного поперечного перемещения и метода цифровой бифуркации для локомотивов и вагонов разных типов и серий. В этих исследованиях было принято во внимание влияние нелинейности геометрии контакта колеса и рельса, нелинейный характер упругого проскальзывания, жесткость рессорного подвешивания, характеристики гасителей колебаний и передачи крутящего момента. С вводом набора идентификационных принципов удалось проанализировать устойчивость единицы подвижного состава в поперечном направлении и в качестве примера определить значения критической скорости прохода по стрелочным переводам и скорости схода с рельсов;
• совершенствование и дальнейшее развитие теории контакта качения Калкера (Kalker) с применением коэффициента трения функционального типа. Эти исследования позволили устранить ошибку в теории контакта качения, касающуюся закона трения Кулона (Coulomb), которая заметно проявлялась при движении подвижного состава с высокой скоростью. Удалось повысить точность анализа динамики подвижного состава;
• применение метода кубической сплайновой функции. Этот метод был использован для определения геометрических взаимозависимостей в системе колесо — рельс, и в сочетании с оптимизацией износа поверхностей катания и структурных параметров подвижного состава позволил изучить пути повышения критической скорости движения.

Результаты теоретических исследований взаимодействия колеса и рельса имеют особое значение для повышения скорости движения поездов. В их свете можно разработать требования к содержанию инфраструктуры на действующих линиях с обращением тяжеловесных поездов, рассчитать и проанализировать параметры рессорного подвешивания скоростных локомотивов, вагонов и моторвагонных поездов. Динамические характеристики скоростного подвижного состава, полученные в ходе испытаний, оказались близкими к полученным расчетно-аналитическим путем (табл. 1 и 2), что создало условия для разработки и совершенствования конструкций подвижного состава применительно к инфраструктуре действующих линий.

Разработка скоростного
подвижного состава

На основе результатов теоретических исследований и испытаний в условиях, приближенных к эксплуатационным, проектно-конструкторские бюро и предприятия промышленности в кооперации с CARS и соответствующими службами CR разработали несколько новых серий локомотивов, вагонов и моторвагонных поездов. За относительно короткий срок (7 – 8 лет) новый подвижной состав, рассчитанный на движение с высокой скоростью, прошел стадии проектирования, испытаний, опытного внедрения и ввода в регулярную эксплуатацию.

К числу такого подвижного состава можно отнести электровозы серий SS7D и SS9, тепловозы серии DF4DZ, пассажирские вагоны семейства 25К разных классов, в том числе двухэтажные, электро- и дизель-поезда, некоторые из которых также из двухэтажных вагонов. Все они имеют конструкционную скорость 160 – 200 км/ч.

 

Рис. 1. Электровоз SS7D	Рис. 2. Электровоз SS9

 

Рис. 3. Тепловоз DF4D