Организация высокоскоростного движения лекции

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

_____________________________________________________________________

Кафедра «Электроснабжение железных дорог»

Лекции по дисциплине

«ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ»

I семестр

Санкт-Петербург ПГУПС

2015

2

Скорость как один из основных факторов развития человечества

Джордж Стефенсон – первая железная дорога общего пользования СтоктонДарлингтон 1825 год.

1837 год – первая железная дорога России (Санкт-Петербург – Царское село, строительством руководил австрийский инженер Франц Герстнер).

1851 год – железная дорога Санкт-Петербург – Москва (Николаевская железная дорога), Мельников.

Дж. Стефенсон: «Железнодорожный экипаж и рельсы необходимо рассматривать как единую транспортную машину». Скорость характеризует единство этой транспортной машины.

Достижение высокой скорости возможно только при условии оптимального соответствия друг другу путевой структуры и подвижного состава. Повышение скорости движения поездов является сложнейшей инженерной задачей и требует больших организационно-технических и капитальных вложений.

Увеличение скорости передвижения – объективная потребность в развитии человечества. Во все времена скорость была тем показателем, который характеризует уровень развития общества. Ускорение всевозможных действий – это четко просматриваемая тенденция в жизни людей. Она возникла в XVIII веке с началом промышленной революции. В производстве это выражается в получении количества продукции за более короткий срок, а на транспорте в увеличении скорости перевозки грузов и пассажиров. Человек всегда стремился сблизить удаленные друг от друга населенные пункты, сокращая время перемещения между ними.

В истории развития транспорта можно выделить 4 этапа увеличения доступ-

ной человеку скорости передвижения:

I этап – начало использования для передвижения животных, а также парусного оснащения судов.

II этап – появление механического транспорта: судов с паровым приводом, автомобилей и железных дорог.

III этап – изобретение летательных аппаратов с механическими двигателями (ДВС1)

IV этап – развитие ракетной техники и начало освоения космоса (изобретение реактивного двигателя)

1 ДВС – двигатель внутреннего сгорания

3

Мировой опыт повышения скоростей на железнодорожном транспорте. Рекорды скоростей

На железнодорожном транспорте существенный рост скоростей приходится на 1930-1940 гг., когда начинают внедрятся тепловозная и электрическая тяги.

Пионерами в области тепловозной тяги являются следующие страны: Великобритания, Франция, Германия и США.

1939 г. – немецкий трехвагонный дизельный поезд разгоняется до скорости, превышающей отметку в 200 км/ч, развивая максимальную скорость 215 км/ч на участке Гамбург – Берлин.

Россия в сфере высоких скоростей на железной дороге имела существенное отставание от западных стран.

5 октября 1993 г. – мировой рекорд скорости для одиночного тепловоза (ТЭП 80 на линии Санкт-Петербург – Москва разогнался до 271 км/ч)

Дальнейшее наращивание скоростей на железной дороге осуществляется на электрической тяге.

1955 г. – Франция СС 7100 и ВВ 9000 >300 км/ч 1988 г. – Германия ICE-V 406,9 км/ч

С 1988 года во Франции начались широкомасштабные испытания высокоскоростного поезда второго поколения TGV-A:

18 мая 1990 г. - TGV-A 515,3 км/ч

3 апреля 2007 г. – V150 574,8 км/ч

В РФ есть свой национальный рекорд скорости, 6 мая 2009 года Сапсан разогнался до 293 км/ч.

Самая большая скорость в мире, которая была развита на рельсах – 9848,6 км/ч.

Понятие скоростного и высокоскоростного движения

Понятие высокоскоростного железнодорожного транспорта утвердилось в 1960-х годах, после ввода в эксплуатацию первой специализированной железнодорожной магистрали Токио-Осака, Япония 1964 год. С этого года началась история высокоскоростного железнодорожного транспорта в мире. На магистрали То- кио-Осака были впервые комплексно разработаны и созданы специализированные стационарные устройства инфраструктуры (земляное полотно, верхнее строение пути, ИССО, устройства электроснабжения, устройства СЦБ и устройства связи) и специализированный подвижной состав, для движения со скоростью более 200 км/ч.

К настоящему времени в РФ сложилась следующая классификация железнодорожных линий в зависимости от скорости движения поездов.

1. Обычные (традиционные) железные дороги со скоростями движения до

160 км/ч

4

2.Скоростные железные дороги – от 161 до 200 км/ч

3.Высокоскоростные железные дороги – от 201 км/ч и выше.

ВСМ2 в РФ – это специализированная железнодорожная линия, предназначенная для регулярной коммерческой эксплуатации пассажирских поездов со скоростями движения более 200 км/ч.

Градации скоростей, принятые в РФ отличаются от положений, рекомендованных международным союзом железных дорог (МСЖД/UIСUnion Internationale des Chemins de fer).

Современный этап развития высокоскоростного движения характеризуется тем, что в мировом железнодорожном сообществе произошло дополнение в градациях скорости высокоскоростного железнодорожного движения.

Дополнительные категории железных дорог, предложенные МСЖД:

Скоростные-высокоскоростные – от 201 до 250 км/ч

Высокоскоростные – от 251 км/ч до 300 км/ч

Сверхвысокоскоростные (extreme high speed/ very high speed) – от 301 км/ч

и выше

Ультраскоростные3 железные дороги – от 401 до 500 км/ч

Стемой ВСМ в разных странах мира связаны следующие понятия:

Англия - HSR – High Speed Railway, HST - //-// Train

Испания – AVE – Alta Velocidad Española, Tren AVE, Linea AVE

Италия – TAV –Treno ad Alta Velocita

Германия – ICE –Inter City Express

Франция – TGV – Trains a Grand Vitesse, LGV – Line ….

Япония – Shinkansen – Синкансен (новая магистраль) – это понятие распространяется и на поезда на магнитном подвесе.

Развитие сети ВСМ в мире

По данным МСЖД рост протяженности ВСМ в мире был следующим: 1964 г. – 515 км 1974 г. – 1450 км 1994 г. – 3600 км 2004 г. – 7000 км

Прогноз 2014 г. – 27 000 км (в эксплуатации 17 000 км, 14 стран мира имеют ВСМ, исполь-

зуют более 300 видов ЭПС) 2024 г. – 45 000 км

2ВСМ – высокоскоростная магистраль

3Официально данная классификация не принята

5

25.09.15

Внастоящее время по протяженности ВСМ лидирует КНР. По транспортной стратегии к 2030 году протяженность ВСМ достигнет показателя 4200 тыс. км. К 2020 году - ВСМ Москва-Казань (803 км)

Четыре ВСМ по плану:

ВСМ-1 Москва – Санкт-Петербург (~700 км), ВСМ-2 Москва – Екатеринбург (~1500 км), ВСМ-3 Москва - Адлер (1758 км), Казань – Москва

Всилу того, что в разных странах ЖД создавались с разной шириной колеи, а ВСМ, как правило, имеет ширину колеи 1435 мм (нормальная/стефенсоновская колея), то можно условно выделить три концепции создании ВСМ.

■ Испано-Японская концепция

Вэтих странах ВСМ были созданы отдельными железнодорожными линиями, которые не имеют пересечения с другими железными дорогами из-за разной ширины колеи (ВСМ – 1435 мм).

Ширина колеи обычных железных дорог: Япония – 1067 мм, Испания – 1668 мм.

■ Французская концепция Во Франции ширина колеи ВСМ не отличается от ширины колеи обычных

ЖД, но ВСМ предназначена исключительно для высокоскоростного движения. ■ Германо-Итальянская концепция

Вэтих странах ВСМ создавались на основе модернизации или реконструкции существующих ЖД. На реконструируемых под ВСМ дороги было сохранено существующее движение.

Все ВСМ в РФ будут иметь ширину 1520 мм.

Сравнение ВС ЖДТ с авиационным и автомобильным транспортом показывает, что при скоростях движения 250-350 км/ч ВСМ имеют явные преимущества с точки зрения комфорта и безопасности в дневных поездках на расстояние 400-800 км и на расстояние 1700-2500 км в ночных поездках (до 12 часов в пути).

Дополнительное удобство – поезда ВСМ прибывают и отправляются с вокзалов, расположенных в непосредственной близости от центров городов. ВСМ в сравнении с авиа и автотранспортом имеют самый низкий удельный выброс в окружающую среду. При равных пассажиропотоках ВСМ занимает меньшие территории, чем это требуется для автострад и аэропортов.

Основные требования к ВСМ

Основные требования к ВСМ определяются ее главным назначением – осуществление массовых регулярных ВС перевозок населения преимущественно

6

больших и средних городов. При проектировании в строительстве и эксплуатации ВСМ необходимо обеспечить:

1. Безопасность пассажиров и максимальную комфортность

2. Потребную пропускную способность магистрали на заданную перспективу

3. Максимальная привлекательность для пассажиров 4. Жизнеспособность ВСМ, в т.ч. в чрезвычайных ситуациях

5. Минимальное отрицательное воздействие на окружающую среду Потребная пропускающая способность определяется на перспективу 20 -25 лет

с учетом перераспределения пассажиров с авиа и автомобильного транспорта. Для максимального пользования услугами ВСМ, ее траса должна максимально приближаться к городам.

Минимизация воздействия на окружающую среду включает в себя: 1. Защита населения от шума 2. Рекультивация территорий, прилегающих к трассе ВСМ

3. Обход особо охраняемых территорий, прилегающих к трассе ВСМ 4. Минимизация отчуждающих с/х угодий

5. Сохранение условий стока поверхностных и грунтовых вод

30.09.15

Жизнеспособности ВСМ, в т.ч. в ЧС (наводнения, землетрясения, снежные лавины или заносы) способствуют принимаемые на стадии проектирования инженерные и организационные решения:

1.Наличие возможности выхода ВСМ на обычные ЖД (для обхода поврежденного участка ВСМ, подвоза восстановительных материалов)

2.Укладка дополнительных приемоотправочных путей (как правило, на перегонах, для быстрой пересадки пассажиров из неисправного поезда на исправный)

3.Создание эффективной системы снегоборьбы:

■Круглосуточный мониторинг состояния снежного покрова;

■Круглосуточный мониторинг метеоусловий;

■Электрообогрев стрелочных переводов;

■многоярусные лесозащитные полосы;

■Принудительный спуск снежных масс в горных районах

4.Установка в сейсмоактивных зонах датчиков землетрясений, передающих сигнал на остановку поездов.

Гармонизация требований к ВСМ

Развитие ВСМ в отдельных европейских странах, а затем создание общеевропейской сети ВСМ поставили вопрос о их совместимости между собой.

7

Параметры, требующие унификации:

1.Ширина колеи

Вбольшинстве европейских стран ширина колеи 1435 мм.

ВИспании и Португалии – 1668 мм.

ВФинляндии – 1524 мм.

ВРФ – 1520 мм.

2.Система электрификации железных дорог

Франция и Великобритания: ~25 кВ, 50 Гц; =1,5 кВ. Германия: ~15 кВ, 16 2/3 Гц.

Россия: ~25 кВ, 50 Гц; = 3 кВ.

3.Различные габариты подвижного состава

4.Различие пассажирских платформ

Для обеспечения совместимости ЖД Европы была создана специальная европейская комиссия, которая разработала и утвердила серию документов по технической совместимости ВСМ.

Основные требования к ВСМ должны излагаться в нормативных документах, которые являются базой для последующего проектирования и строительства, т.е. конструировать ВСМ без соответствующих требований нельзя.

Внастоящее время в нашей стране разрабатывается нормативная база для высокоскоростного железнодорожного транспорта.

ФЗ №184 «О техническом регулировании» - основополагающий документ для разработки нормативной документации.

Технический регламент таможенного союза – «ТР ТС о безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта» (ТР ТС 002/2011)

На основе этих двух документов в нашей стране разрабатывается 41 национальный стандарт (41 ГОСТ Р) для всех элементов инфраструктуры и 15 сводов правил (СП).

Вэтих стандартах отражены все необходимые нормы и требования к инфраструктуре и к подвижному составу ВСМ, СП отражают правила проектирования

истроительства.

Косновным элементам инфраструктуры ВСМ относятся:

1.Трасса ВСМ (основные параметры, план и продольный профиль)

2.Земляное полотно и железнодорожный путь

3.ИССО

4.Система железнодорожной автоматики, телемеханики и связи (ЖАТ)

5.Система электроснабжения

6.Раздельные пункты

7.Вокзалы, депо, ремонтные зоны

8

Выбор трассы ВСМ

Принципиальную схему трассы ВСМ определяют в основном следующие факторы:

I)Социально-экономические

1)Расположение головных или конечных станций и заходы ВСМ в крупные города

2)Размеры ожидаемых пассажирских перевозок

3)Степень застройки территории

4)Характер взаимодействия ВСМ с существующими железными дорогами Основной целью выбора оптимального варианта трассы будущей ВСМ явля-

ется привлечение максимального пассажиропотока при кротчайшей протяженности линии.

Многолетний зарубежный опыт проектирования и эксплуатации ВСМ доказал целесообразность размещения головных станций в центрах крупных городах.

II)Природные факторы Горные хребты и ущелья, водоемы, заповедники, заказники, особо охраняемые

территории, болота, слабые грунты, участки схода лавин, оползней.

III)Технические факторы

1)Установленная максимальная скорость (влияет на минимальный потребный радиус кривых)

2)Руководящий уклон (максимальный уклон)

IV)Экологические факторы

1)Пути миграции редких и ценных животных

2)Шумовое воздействие

3)Расположение попутных водоразделов и долин рек.

Трассирование линии ВСМ

Трассирование линии ВСМ осуществляется на основе создания высокоточной координатной системы (ВКС) с целью использования точных пространственных данных при проектировании, строительстве и эксплуатации ВСМ, осуществлении контроля геометрических параметров пути и мониторинга состояния объектов инфраструктуры в едином координатном пространстве.

9

07.10.15

Технические нормы проектирования плана главных путей ВСМ

План ЖД линии – проекция трассы на горизонтальную плоскость.

План линии – сочетание прямых участков пути различного направления, плавно сопряженных друг с другом посредством кривых участков.

Прямые участки пути имеют значительные строительные и эксплуатационные преимущества по сравнению с криволинейными. Поэтому при проектировании ЖД линий и, особенно ВСМ, необходимо стремится к устройству прямых участков большой протяженности.

Наиболее простой и распространённый формой кривой ЖД пути является дуга окружности, такие кривые носят названия круговых кривых.

Рисунок 1 – схема круговой кривой

Основные параметры круговой кривой: направление поворота, угол поворота , радиус кривой R, тангенс кривой Т, длина кривой К.

Минимальная величина радиуса кривой устанавливается по требованию безопасности и комфорта проезда пассажиров и зависит от максимальной скорости движения поездов.

Зависимость радиуса от скорости движения определяется поперечными силами, действующими на подвижной состав в кривой. Основной из них является центробежная сила направленная от центра кривой и стремящаяся вытолкнуть или опрокинуть подвижной состав.

Центробежная сила:

где m – масса поезда (кг); v – скорость подвижного состава (км/ч); R – радиус кривой; G – вес подвижного состава; g – ускорение свободного падения; aЦБ – ускорение центробежное.

10