KnigaOmelyanenko
.pdfМинистерство транспорта и связи Украины Министерство образования и науки Украины
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»
В.В. Корниенко, В.И. Омельяненко
ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТРАНСПОРТ
МИРОВОЙ ОПЫТ
Харьков НТУ «ХПИ» 2007
ÁÁÊ 30.20 Ê67
ÓÄÊ 629.4.01:423
Рецензенты: доктор технических наук, профессор В.Т. Доманский, доктор технических наук, профессор В.А. Дзензерский
Публикуется по решению ученого совета Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» Министерства образования и науки Украины (протокол ¹7 от 07.08.2007г.)
Монограф³я являº собою анал³тичний огляд св³тового досв³ду створення та впровадження у ринок транспортних послуг високошвидк³сного електричного кол³сного та магн³толев³туючого транспорту для зал³зниць.
Книга призначена для ³нженер³в, наукових сп³вроб³тник³в, а також викладач³в, асп³рант³в та студент³в, як³ працюють в галуз³ створення та експлуатац³¿ зал³зничного транспорту.
К67 Высокоскоростной электрический транспорт. Мировой опыт / Корниенко В.В., Омельяненко В.И. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2007.–159ñ.
ISBN 978-966-593-549-0
Монография представляет собой аналитический обзор мирового опыта создания и внедрения в рынок транспортных услуг высокоскоростного электрического колесного и магнитолевитирующего транспорта для железных дорог.
Книга предназначена для инженеров, научных работников, а также преподавателей, аспирантов и студентов, работающих в области создания и эксплуатации железнодорожного транспорта.
Библиогр. 47 назв. Ил. 69. Табл. 13.
|
ÁÁÊ 30.20 |
ISBN 978-966-593-549-0 |
©В.В.Корниенко, |
|
В.И. Омельяненко, 2007 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
В современную эпоху развития мирового сообщества, когда рост экономики отдельной страны или региона во многом определяется транспортной политикой государства, весьма важными критериями эффективности работы междугородного пассажирского транспорта являются скорость и пропускная способность. На железных дорогах передовых в техническом отношении стран их удалось существенно повысить, внедрив высокоскоростной электрический транспорт.
Под высокоскоростным электрическим транспортом авторы подразумевают не только железные дороги, по которым подвижной состав большую часть пути перемещается со скоростью 200 и более километров в час за счет электромеханического преобразования энергии в системе «колесо-рельс», но и магнитолевитирующий транспорт, где вагоны подвешиваются и перемещаются вдоль направляющей путевой структуры бесконтактным способом посредством магнитного поля.
Эти виды транспорта начали использоваться во второй половине ХХ века. Они, при сохранении неоспоримых преимуществ железных дорог над другими видами транспорта по таким критериям, как безопасность, надежность, энергопотребление и экология, дали возможность обеспечить пассажирам современный комфорт. Здесь речь идет не просто об очаровании скоростью, а, прежде всего, о таких прагматичных показателях, стимулирующих мобильность, как дальность поездок и время нахождения в пути. Очевидно, что в этом аспекте пассажиров привлекают поездки малой продолжительности на большие расстояния.
Несмотря на то, что на сегодняшний день доля высокоскоростных магистралей в общей протяженности железных дорог мира еще весьма незначительна, с каждым годом все отчетливее вырисовывается тенденция внедрения этой прогрессивной технологии в рынок транспортных услуг многих стран всех континентов. В стороне, безусловно, не останется и Украина.
Существующая же в нашей стране научно-техническая информация по этим вопросам имеется в виде отдельных статей, как правило, в иностранных периодических изданиях. Она носит несистема-
3
Предисловие
тизированный, обрывочный характер и, зачастую, трудно доступна для широкого круга инженерно-технической общественности.
Исходя из этого, авторы при написании предлагаемой читателю монографии поставили перед собой цель ознакомить читателя с имеющимися в мировой практике образцами высокоскоростного электрического транспорта, сформулировать особенности создания и эксплуатации такого транспорта, с тем, чтобы обозначить вектор развития современных и перспективных технологий в этой области техники.
Поскольку книга рассчитывается не только на специалистов, но
èна более широкий круг читателей, первая глава описывает историю транспорта и место в ней высокоскоростного электрического транспорта.
Внедрение высокоскоростного электрического транспорта, хотя
èимеет общие закономерности, в различных странах происходит по-разному. Есть группа стран, которые обладают полным циклом создания такого транспорта – разработка, изготовление и ввод в
эксплуатацию. А есть другая группа стран, где сети высокоскоростного сообщения создаются лишь посредством адаптации технологий, разработанных в фирмах стран с полным циклом, к условиям конкретной страны. Описанию состояния дел в группе стран с полным циклом посвящены главы 2 и 3. В главе 4 освещено положение в странах другой группы.
Завершает книгу глава 5 о высокоскоростном магнитном транспорте. Здесь наряду с системами, практически доведенными до внедрения в коммерческую эксплуатацию, описаны концептуальные проекты магнитолевитирующих поездов следующего поколения.
Определяющее значение в энергопотреблении для движения на скоростях выше 200 км/ч имеет аэродинамическое сопротивление. На этот показатель существенное влияние оказывают формообразующие факторы. Поэтому в монографии широко представлены фотографии практически всех типов высокоскоростных поездов, эксплуатируемых в мире. В подборе, обработке этих иллюстраций, а также в оформлении рукописи книги авторам помогали Н.В. Найдина, Г. В. Кривякин и Д.И. Якунин. Авторы благодарны этим людям.
4
ГЛ А В А
1
ВВЕДЕНИЕ В ТЕМУ
1.1. История развития транспорта
Любое транспортное устройство представляет собой совокупность трех систем — подвешивания, движителя и управления:
•система подвешивания воспринимает силу тяжести и обеспечи- вает направление в пространстве транспортного средства;
•движитель обеспечивает его поступательное перемещение;
•система управления обеспечивает заданные устойчивость и каче- ство движения транспортного средства с определенными массогабаритнымииконструктивнымипараметрамиприоптимальном использовании энергетических и информационных ресурсов.
Оглядываясь на историю развития транспорта, начиная с 1 млн лет до н. э., можно условно выделить три этапа [1].
Первый этап — начальный период, длился до конца XVII века. Вначале были только пешеходы и гужевой транспорт — собаки, олени, быки, лошади, верблюды. Этот вид транспорта, хотя и содержит все три вышеупомянутые системы, достаточно сложные и мало изменившиеся до настоящего времени, весьма неэффективен. Первое крупное достижение связано с созданием искусственных систем подвеса — плавающих средств (бревна, плоты, галеры). С изобретением колеса технология подвеса транспортных средств переместилась на сушу. Первым движителем, помимо животной силы, был, по-видимому, парус. Конец начального периода ознаменовался изобретением первого средства управления транспортными средствами — магнитного компаса. Это привело к увеличе- нию дальности перевозок и позволило перейти от местных рейсов к глобальным.
Второй этап — период бурного развития, охватывает XVIII и XIX века. Здесь определяющим в развитии транспортных средств стало изобретение движителей: парового, электрического, а также двигателя внутреннего сгорания. В итоге, в этот период появился пароход с железным корпусом, поезд, автомобили и трамвайные линии в городах. С появлением и развитием средств связи (телеграф, телефон)
5
Глава 1. Введение в тему
появились первые диспетчерские системы и началось фактическое управление транспортными потоками.
Третийэтап—современныйпериод —начинаетсявXXвекесизо- бретения летательных аппаратов. Использование в них реактивных двигателей дало возможность реализовать их в столь широких масштабах, что перевозки приобрели совершенно новые возможности, как с точки зрения расстояний, так и с точки зрения затрачиваемого времени. Современный период развития транспорта характеризуется широким применением в системах управления компьютерных технологий. Характерной чертой рассматриваемого периода является также непрерывное увеличение количества и мощности транспортных средств. И, наконец, вторая половина XX века ознаменована внедрением на железных дорогах высокоскоростных поездов с традиционным подвесом «колесо–рельс», движущихся со скоростями 200–350 км/ч, а также высокоскоростных поездов на магнитном подвесе, достигающих скоростей более 500 км/ч. Поскольку движение этих транспортных средств осуществляется благодаря электромеханическому преобразованию энергии, считаем справедливым его назвать высокоскоростным электрическим транспортом (ВЭТ).
Подытоживая эти исторические наблюдения, укажем на ряд моментов.
Во-первых, промежутки времени, в которых происходят сравнимые по важности новые крупные изменения, становятся все короче и короче, изменяясь на много порядков.
Во-вторых, эпохи в области транспорта и составляющих его систем — подвеса, движителя, управления — являются следствием ряда крупных достижений в технике — колесо, паровая машина, компас и т. д.
В-третьих, в последние десятилетия XX века возникли проблемы, которые в настоящее время в значительной мере определяют деятельность мирового сообщества в области транспорта. Речь идет:
•о безопасности на транспорте;
•о защите окружающей среды и сохранении энергетических ресурсов;
•об использовании земли для транспортных средств.
6
1.1. История развития транспорта
В-четвертых, развитие транспорта до последнего времени велось экстенсивным путем. Строилось все большее число все более широких дорог, создавались все более и более мощные и дорогие транспортные средства (реактивный самолет на порядок дороже винтового). Широкое внедрение цифровых вычислительных машин открыло возможность интенсификации транспортного обслуживания. Наступает эпоха, когда улучшение транспортного обслуживания будет обеспечиваться не за счет приложения грубой силы, а за счет применения тонких методов управления, которые обеспечат более умелое использование того, что у нас есть.
Сравнение различных видов современного транспорта ведется по многим критериям. Однако определяющими здесь являются экономические соображения [2]. Стоимость перевозки определенного груза на заданное расстояние зависит от энергии, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению. Свойство различных видов транс-
левитационное качество (FL/ FD) |
|
|
|
|
|
||
1000 |
океанский лайнер |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
поезд |
|
0,74 Âò/êã |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7,4 Âò/êã |
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
80 |
|
|
|
|
|
|
|
60 |
|
|
|
|
ÂÝÒ |
|
74 Âò/êã |
40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
автомобиль |
|
|
винтовой |
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
самолет |
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
реактивный |
|
6 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
самолет |
||
4 |
|
вертолет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
16 |
32 |
64 |
96 |
160 |
320 |
640 |
960 |
|
|
скорость, км/час |
|
|
|
||
Рис. 1.1. Левитационное качество современных видов транспорта
7
Глава 1. Введение в тему
порта с такой точки зрения характеризует левитационное качество — отношение подъемной силы FL к тормозящей FD, то есть показатель, оценивающий, какую силу веса способно перемещать транспортное средство при преодолении силы сопротивления движению в один ньютон. Зависимости левитационного качества от скорости для существующих видов транспорта приведены на ðèñ. 1.1. Помимо шкал левитационного качества и скорости на рисунке в виде наклонных линий дана шкала, показывающая затраты мощности на перемещение единицы массы.
Здесьвидно,чтонанизкихскоростяхпревалируетокеанскийлайнер, что традиционный железнодорожный транспорт превосходит автомобиль, что самолет берет свое на высоких скоростях, хотя и велики требования к энергопотреблению из-за низкого левитационного качества.
Любопытно отметить, что в интервале скоростей 160...480 км/ч ни один из видов современного транспорта не имеет хороших характеристик. Именно этот интервал и был заполнен в последней половине ХХ столетия высокоскоростным электрическим транспортом.
1.2. Высокоскоростной транспорт — перспективная технология
Высокоскоростной электрический транспорт представляет собой совокупность подвижного состава, направляющей его путевой структуры, системы электроснабжения и управления. Подвес транспортного средства и его перемещение относительно путевой структуры со скоростью более 200 км/ч осуществляется либо системой «колесо–рельс» в сочетании с управляемым электроприводом на базе ротативных (вращающихся) электрических машин, либо магнитолевитирующей системой в сочетании с управляемым электроприводом на базе линейных двигателей. Первый из перечисленных выше видов будем в дальнейшем именовать высокоскоростным колесным транспортом (ВСКТ), а второй — высокоскоростным магнитным транспортом (ВСМТ). По таким показателям, как скорость и степень использования перспективных технологий, эти два вида транспорта можно условно расположить на двух уровнях.
8
1.2. Высокоскоростной транспорт — перспективная технология
На первом уровне стоят высокоскоростные колесные поезда [3]. Их скорость — 250–300 км/ч. Это японские Синкансен, французские TGV, германские ICE. При их создании ничего принципиально нового предложено не было, а лишь доводились до совершенства имеющиеся в железнодорожном транспорте технологии. Но по таким параметрам, как энерговооруженность, массогабаритные показатели, ходовые и энергетические характеристики, последние модели высокоскоростных колесных поездов перечисленных выше типов находятся на уровне изделий современной автомобильной и аэрокосмической промышленности. А по такому показателю, как безопасность, даже превосходит их.
Нисколько не умаляя значения достижений в области создания высокоскоростных колесных поездов, следует признать, что система «колесо–рельс» имеет потолок рентабельности при скоростях более 300...350 км/ч. Наличие в этой системе механического контакта порождает на высоких скоростях проблемы (сцепление, износ, динамические нагрузки), многие из которых сегодня неразрешимы. Устранение этого препятствия мировое инженернотехническое сообщество начало интенсивно искать в замене системы «колесо–рельс» бесконтактными системами, использующими воздушную или магнитную подушку. Воздушная подушка довольно скоро показала свою неконкурентоспособность из-за низких энергетических показателей и множества экологических проблем. Использование же для этих целей электромагнитного поля оказалось весьма перспективным.
Возник так называемый магнитный (магнитолевитирующий) транспорт. Это принципиально новый вид транспорта — фундаментальная новинка в области транспортных технологий. Его скорость — 500 км/ч. Новизна состоит в том, что подвес, направление и движение поезда обеспечивается здесь не взаимодействием колеса с рельсом, а бесконтактным способом — посредством магнитного поля [4].
В настоящее время в мире имеются два типа транспортных систем на магнитном подвесе, которые практически доведены до стадии внедрения в коммерческую эксплуатацию. Это германская система Transrapid (производное от двух немецких слов Transport rapid — транспорт быстрый) и японская ML (аббревиатура англий-
9
Глава 1. Введение в тему
ских слов Magnetiс Levitation — магнитная левитация, или магнитный подвес).
Для обеих транспортных систем общим является то, что движение вагонов вдоль путевого полотна в них обеспечивается за счет использования линейного электрического синхронного двигателя.
Подвес и боковое направление вагона относительно путевого полотна в этих двух системах принципиально различаются: в Transrapid для этих целей применяется электромагнитная система, а в ML — электродинамическая.
Практическая реализация таких систем стала на сегодняшний день возможной благодаря современному состоянию таких высоких технологий, как преобразовательная и микропроцессорная техника, являющихся узловыми в системе электромагнитного подвеса, а также технической сверхпроводимости, без которой невозможно реализовать с требуемыми параметрами электродинамических подвес.
ÂГермании создан двухвагонный поезд на электромагнитном подвесе Transrapid, прошедший на 46 км полигона в Эмслянде полный цикл испытаний — от ходовых до приемочных. Подготовлен и рассматривается в правительстве закон о строительстве такой системы между Гамбургом и Берлином. Ведутся переговоры между Германией и США о строительстве системы Transrapid. Германией и Китаем построена и сдана в эксплуатацию 30километровая линия Transrapid между центром Шанхая и аэропортом Пудонг.
ÂЯпонии планируется ввести первую очередь системы на электродинамическом подвесе ML между Токио и Осака параллельно действующей линии Синкансен. Строительство первой очереди начато с ее середины между городами Оцуки и Цуру префектуры Яманаши, с тем чтобы дальнейшее строительство вести в оба направления — к Токио и Осака. В 1997 году построен двухпутный участок, длиной 18 км, где два поезда MLX (3-вагонный и 4-вагонный) успешно прошли ходовые, функциональные и ресурсные испытания. При испытаниях поездов, движущихся навстречу друг другу, достигалась относительная скорость 1003 км/ч, причем
âобоих поездах находились люди.
10