ПРИМЕНЕНИЕ ТЯГОВОГО ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМАХ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Среди множества проблем, стоящих перед руководителями крупных городских агломераций России, одной из наиболее заметных является проблема качественного, комфортного транспортного обслуживания населения. Загромождение проезжей части автомобильных дорог обычным пассажирским транспортом ведет к хронической нехватке пропускной способности дорог.

Давно назрела необходимость в создании транспортных систем, обеспечивающих жителей крупных городов альтернативным транспортом, который должен иметь обособленный путь, вписываемый в уже имеющиеся и вновь создаваемые жилые массивы. Таковым может стать легкий рельсовый или другой направляемый транспорт, имеющий внеуличную эстакадную прокладку. Количество направляющих элементов (рельсов или беговых дорожек) может варьироваться.

В последнее время в мире наблюдается бурный рост облегченных автоматизированных транспортных систем, предназначенных для перевозки устойчивого пассажиропотока в аэропортах, торговых центрах, выставках, в городских бизнесцентрах и районах новой застройки. Создание такой локальной системы и ее апробирование с учетом климатических условий средней полосы России может стать спасением для наших городов.

Одним из вариантов легкой транспортной системы (ЛТС) является переход на новый принцип тяги. Принцип, применяемый сейчас на метрополитене и трамвае, основан на сцеплении колеса с рельсом. Передача и преобразование энергии при этом сводится к тому, что снимаемая с контактного провода (третьего рельса) электрическая энергия преобразуется в механическую посредством вращающихся тяговых электрических двигателей. Колесо, снабженное приводом, выполняет двойственную функцию,    являясь    и    «движителем», и опорой транспортного средства, а колесо, не снабженное 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 за 0,92-0,96, то общий КПД традиционной транспортной системы не превысит 0,5-0,6. В реальных эксплуатационных условиях, когда устройства работают значительное время в режимах, далеких от номинальных, общий КПД транспортной системы будет заведомо ниже.

Первый путь экономии ресурсов и упрощения системы — сокращение числа звеньев передачи и преобразования энергии, что возможно в транспортных системах при изменении принципа тяги.

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),— есть мера совершенства подвижного состава. Очевидно: что чем меньше масса, тем ниже техногенное воздействие от подвижного состава на инфраструктуру (тоннели, эстакады), окружающие здания и сооружения.

От массы подвижного состава прямо зависит материалоемкость и стоимость всей инфраструктуры, а также 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.

От массы подвижного состава зависит длительность жизненного цикла транспортной инфраструктуры. Тоннели Московского метрополитена через каждые 1-3 мин. испытывают мощнейшее воздействие движущихся поездов массой 300-400 т., что оказывает незаметное разрушающее воздействие 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 еще 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 вагонов.

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», — малоэффективное.

Более продуктивный 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.

На современном уровне знаний заменить принцип тяги, основанный на сцеплении «колесо-рельс», можно при переходе на тягу электромагнитным полем посредством линейных электрических двигателей. Для ЛТС на сегодняшний день наиболее перспективны колесно-рельсовые транспортные системы с приводом от линейных двигателей.

Одна из первых систем с применением линейного асинхронного двигателя (ЛАД) и колесных опор эксплуатируется с 1986 г. в Ванкувере (Канада). Ее 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 (рис. 1).

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.

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, создает силу тяги и приводит поезд в движение.

Скорость   движения   в   зависимости от выбранных опорных элементов:

— пневматические колеса до 150 км/час;

— стальное колесо до 350 км/час;

— магнитный подвес до 600 км/час. Эксплуатируемые   колесно-рельсовые транспортные системы на новом принципе тяги имеют ряд достоинств;

— капитальные затраты при строительстве, по утверждениям японских специалистов, снижены на 25-30%, в основном за счет уменьшения внутреннего диаметра тоннеля с 5,1 до 4,0 м;

— 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 энергоемка, чем при вращающихся тяговых двигателях. Это прямой результат сокращения числа звеньев в передаче и преобразовании энергии.

Системы ЛТС с ЛАД можно определить как облегченные системы горизонтального транспорта, предназначенного для перевозки пассажиров и грузов, функционирующего на специальном обособленном полотне. Независимо от вида направляющего полотна, подвижной состав взаимодействует с ним с помощью систем опор. В ЛТС практическую реализацию получили все известные устройства взаимодействия экипажа с путевым полотном, начиная от классических опор качения (рис. 1) и кончая магнитной подвеской (рис. 2,3).

Выбор типа опор определяется совокупностью требований, предъявляемых к ходовой части экипажа. Поскольку ЛТС, как правило, эксплуатируются в местах большого скопления людей, то к опорам предъявляется дополнительное требование по уровню допустимого шума. В связи с этим значительная часть легких транспортных систем оснащается пневматическими опорами качения и направляющими колесами. Такое решение усложняет путевую структуру и ходовую часть, повышает  расход  энергии  из-за увеличенного сопротивления движению. Ходимость пневматических колес значительно меньше, чем металлических ребордных колес. Однако уровень шума последних на 20-30% выше.

Применение металлических колес позволяет в значительной мере снять проблему в эксплуатации в зимних условиях, в 5-10 раз увеличивается срок ходимости опорных колес, снижается сопротивление движению, расход электроэнергии и нет необходимости в установке роликов, обеспечивающих поддержание рабочего зазора в двигателе. Недостаток такого технического решения состоит в том, что необходимы дополнительные мероприятия по снижению шума и вибраций (бесстыковый рельсовый путь, упругие элементы между рельсами и эстакадой, новые неметаллические материалы для опорной поверхности колеса и т.д.).

Отличительной особенностью транспорта с подвижным составом на магнитном подвесе является отсутствие традиционного колеса, выполняющего функции опоры, направления и передачи тягового усилия, а, следовательно, и механического контакта подвижного состава с путевым полотном. Подвижной состав в новом виде транспорта, с помощью магнитных систем подвеса на постоянных магнитах (ПМ), электродинамического подвеса со сверхпроводящими магнитами (ЭДП)  или  регулируемыми  электромагнитами (ЭМП), удерживается и стабилизируется относительно путепровода на расстоянии 10-15 мм (ПМ и МП) или 100-300 мм (ЭДП) и приводится в движение бесконтактным линейным электродвигателем, который преобразует электрическую энергию непосредственно в поступательное движение без механических промежуточных звеньев (трансмиссий, коробок передач и т. д.). Это позволяет обеспечить движение практически без ограничения скорости. Снимаются ограничения скорости по углам подъема и уклона, ускорению и замедлению, так как для движения и стабилизации подвижного состава не требуется традиционного сцепления пары колесо-путь.

Подвижной состав на магнитном подвесе преодолевает большие подъемы, чем колесный транспорт, и лучше вписывается в рельеф местности. В новом виде транспорта резко падает нагрузка на путепровод и уменьшается его износ. По данным зарубежных специалистов, затраты на техническое обслуживание и ремонт пути у транспорта с магнитным подвесом (МП) составляют 15-20% аналогичных затрат железнодорожного транспорта.

Уровень шума транспорта на МП в 2-3 раза меньше, чем у традиционных видов. Поэтому новый вид транспорта может быть расположен в середине автодороги, в полосе отчуждения. Такая транспортная система требует эстакадной прокладки дороги.

Мощность, потребляемая на электромагнитный подвес в наиболее распространенной электромагнитной системе МП, равна 1,0-1,5 кВт/т, что составляет до 5% мощности привода. Величина общих удельных энергозатрат транспорта на электромагнитной системе МП при скоростях до 100-200 км/ч сравнима с энергопотреблением на рельсовом колесном транспорте. В зоне высоких скоростей энергопотребление транспорта на МП ниже на 10-12%, чем на железнодорожном.

Сравнение трех предложенных вариантов компоновочных решений подвижного состава ЛТС с применением тягового линейного электропривода (ТЛЭП) в сочетании различных типов опор подвижного состава (стальное ребордное колесо, пневмошины и магнитная подвеска) проводилось в Инженерно-научном центре «ТЭМП» на уровне технико-экономических обоснований, конструкторских разработок и испытаний реальных объектов на полигоне «ТЭМП» в г. Раменское Московской области на универсальной трассе длиной 850 м. На фото показаны испытания вагона ТП-05 массой 18 т с ТЛЭП с опорой на систему магнитного подвеса.

Наиболее практически реализуемым является вариант с опорой на стальное ребордное колесо с ТЛЭП.

Вариант с магнитным подвесом требует наличия эстакады и достаточно объемной подготовительной работы для внедрения, ввиду значительной технической сложности.

В «ТЭМП» было разработано оригинальное техническое решение по компоновочной схеме пневматическое колесо — тяговый линейный электродвигатель. За основу была взята разработка Translor фирмы «Bombardier».

Было решено взять все положительное от железнодорожного и автомобильного транспорта, и соединить в одном: один центральный рельс, один контактный провод. По мнению авторов, такой вид транспорта гарантирует безопасность движения в отношении траектории, так как здесь используется характер монотрассы — задние колеса движутся по той же траектории, что и передние. При движении в направляющем режиме каждая ось сориентирована определенным образом, благодаря разработанной системе управления подвижного состава: оси сохраняют неизменное положение, каковы бы не были условия сцепления.

В целях обновления своего троллейбусного парка Renault PER 180, транспортники французского г. Нанси решили приобрести трамваи на пневматических шинах, производимые Bombardier.

Данное техническое решение с применением ТЛЭП было реализовано в «ТЭМП» в 1996 г. и является уникальным по сочетанию линейного асинхронного двигателя с пневматическими колесами и направляющим рельсом, исполняющим несколько технических функций (стабилизация зазора, троллей и направляющий элемент пневматических колес).

Таким образом, предварительные экспериментальные работы дали возможность получить достаточный опыт для внедрения ТЛЭП в реальные транспортные системы.

Совместная работа специалистов «ТЭМП» и ОАО «Московская монорельсовая дорога» привела к внедрению ТЛЭП на новом виде транспорта (рис. 4), который введен в эксплуатацию в ноябре 2004 г. Подвижной состав опирается на пневматические колеса, исполняющие только опорную функцию.

Параллельно проводимым работам по ЛТС в «ТЭМП» велись работы по созданию    автономных    грузовых    транспортных систем. В начале 2008 г. на одном из домостроительных комбинатов г. Ростова на Дону была смонтирована и введена в эксплуатацию транспортная система с тремя автономными тележками грузоподъемностью от 12 до 30 т для перевозки строительных панелей из цеха на погрузочную площадку. Тележки с опорой на стальное ребордное колесо снабжены ТЛЭП с автономными источниками питания.

Можно констатировать, что на сегодняшний день эта технология достаточно отработана и ждет своего заказчика.

А. Т. Горелов,

к-т техн. наук,

зам. ген. директора

Инженерно-научного центра

«ТЭМП»