Технические средства высокоскоростного железнодорожного транспорта

Организация коммерческого движения поездов со скоростями св. 200 км/ч потребовала создания новых технических средств железнодорожного транспорта.
При проектировании ВСМ, в отличие от обычных ж. д., главной задачей стала трассировка линии с увеличенными радиусами горизонтальных кривых, которые принимаются равными от 4 до 7 км. Исключение – высокоскоростная линия Токио-Осака (Япония), где минимальный радиус закругления равен 2,5 км. Вместе с тем в 1960-х гг. был создан подвижной состав, который способен при высоких скоростях движения преодолевать уклоны большей крутизны, чем это было принято на старых линиях. Так, например, на французских ВСМ максимальный уклон на затяжных подъемах принимается равным 35%о, на новых линиях в Германии – 40%о. Это позволяет уменьшить объем земляных работ при строительстве и в ряде случаев избежать на перевальных участках устройства дорогостоящих тоннелей. Радиус вертикальных кривых при сопряжении смежных элементов профиля на ВСМ колеблется от 15 до 30 км. Максимальное возвышение наружного рельса над внутренним составляет от 125 до 180 мм, что в сочетании с относительно большими радиусами закруглений ж.-д. пути не создает дискомфорта для пассажиров при движении поездов с максимальной скоростью.
Существует несколько принципиально отличных подходов к созданию железнодорожного пути для ВСМ.
В Японии на первой в мире ВСМ Токио-Осака был уложен бесстыковый путь из рельсов с линейной плотностью 53,3 кг/м (позже замененных на рельсы с линейной плотностью 60 кг/м) на железобетонных шпалах на щебеночном балласте и на земляном полотне. Большие затраты на содержание пути традиционной конструкции при высоких скоростях движения предопределили в дальнейшем использование жестких (плитных) оснований вместо балластной призмы и практически полный отказ от земляного полотна на новых линиях ВСМ. Этому решению способствовало также и то, что на новых ВСМ Японии доля пути на участках с искусственными сооружениями приближалась к 100%.
Во Франции, после анализа японского опыта, была принята конструкция главных путей ВСМ, предусматривающая укладку бесстыкового пути из рельсов массой 65 кг/м на шпально-балластном основании на земляном полотне. При этом учитывались два достоинства балластного варианта по сравнению с плитным: значительно меньшая стоимость самой конструкции (на участках с преобладанием земляного полотна) и больший запас устойчивости пути против поперечного сдвига от воздействия подвижного состава. Принимались во внимание и недостатки плитного основания на земляном полотне, которые проявились на японских ВСМ, в частности дороговизна такой конструкции, трудности устранения геометрических отклонений пути (хотя они и меньше по величине), отсутствие отлаженной технологии укладки пути, неопределенность его поведения на слабых грунтах. Многолетний опыт эксплуатации ВСМ Париж-Лион подтвердил высокие эксплуатационные качества и надежность ж.-д. пути на балласте. Такую же конструкцию имеют и другие ВСМ Франции, предназначенные для движения поездов со скоростями до 350 км/ч.
В Германии на первых линиях ВСМ предпочтение отдавалось пути на земляном полотне с балластной призмой. Однако позднее, когда встала проблема строительства спрямляющих ходов с большим числом тоннелей и других искусственных сооружений, были проведены исследования и испытания пути на жестком основании. В результате было признано целесообразным применение верхнего строения «японского типа» с некоторыми коррективами в соответствии с местными условиями.
На первой испанской ВСМ Мадрид – Севилья применена конструкция пути, близкая к французской.
Топографические условия в районах первых перспективных ВСМ России близки к западноевропейским, поэтому можно считать целесообразным применение балластного пути на земляном полотне с использованием современной технологии уплотнения насыпей.
Раздельные пункты (станции, разъезды, обгонные пункты, диспетчерские посты и т. п.). Особенностью японского и испанского концептуального подхода является полная рельсовая автономность ВСМ от обычных ж. д. Это потребовало на всем протяжении ВСМ сооружения новых промежуточных пассажирских станций с полным комплексом устройств. Для обеспечения удобной пересадки пассажиров с поездов обычных линий на высокоскоростные и обратно в Японии и Испании вновь сооружаемые станции ВСМ совмещают на одной площадке со станциями обычных ж. д.
Французский концептуальный подход предусматривает размещение на ВСМ только тех раздельных пунктов, которые необходимы для организации движения поездов. Пассажирские операции передаются на ближайшие обычные вокзальные комплексы, на которые по специально построенным соединительным ветвям заходит часть высокоскоростных поездов. Кроме раздельных пунктов с путевым развитием, в среднем через каждые 22-24 км размещаются диспетчерские посты с укладкой двух съездов между главными путями для возможности перевода движения с одного пути на другой.
Итальянский и германский подходы к организации ВСМ также предполагают использование существующих железнодорожных станций, но, как правило, расширенных и реконструированных.
Стрелочные переводы. Проектирование и строительство ВСМ обусловили разработку новых типов стрелочных переводов, в т. ч. и таких, которые обеспечивают высокую скорость движения как по прямому, так и по отклоненному направлению. Упомянутая ранее генеральная стратегия трассирования ВСМ по кратчайшим направлениям, с устройством соединительных ответвлений для захода части высокоскоростных поездов на крупные пассажирские станции обычных линий, стимулировала французских специалистов к разработке, производству и широкому применению пологих стрелочных переводов с крестовинами марки 1/65, допускающих максимальную скорость движения на боковой путь до 220 км/ч. На ВСМ Париж-Лион из 136 стрелочных переводов 87 имеют конструкцию с подвижными элементами крестовины марки 1/65 или 1/46. В Германии используются несколько типов стрелочных переводов для скоростного и высокоскоростного движения. Среди них – безостряковый с двумя передвижными рельсами, допускающий скорость движения на боковой путь до 350 км/ч.
Системы текущего содержания постоянных устройств. Эти системы позволяют десятилетиями поддерживать должное состояние ВСМ в условиях интенсивного движения поездов, включают в себя технические средства контроля и диагностики; они обслуживаются производственными подразделениями, оснащенными высокопроизводительными машинами и механизмами, имеющими базы технического обслуживания вдоль линии, специальные контрольно-измерительные поезда (вагоны) для измерения характеристик пути, контактной сети, устройств СЦБ и связи.
Создание высокоскоростных ж.-д. магистралей потребовало принципиально новых подходов к обеспечению безопасности функционирования ж.д. как комплексной системы. Высокий уровень безопасности обеспечивается, в частности, проектными параметрами, полным обособлением ВСМ от других наземных путей сообщения (устройством пересечений в разных уровнях с автомобильными дорогами, пешеходными переходами, другими ж. д. и т.д.). Полоса отчуждения ВСМ, как правило, изолирована, нахождение на ней посторонних людей и животных недопустимо. На ВСМ обеспечивается непрерывный мониторинг состояния земляного полотна и искусственных сооружении; ведется наблюдение за состоянием атмосферы, в частности за силой и направлением ветра, интенсивностью выпадения осадков; в некоторых случаях контролируется сейсмическая активность региона. Полученные данные мониторинга передаются непосредственно в автоматизированные системы управления движением.
На ВСМ используются комплексные методы управления движением поездов на базе интегрированных систем сигнализации, централизации и блокировки. Применяются системы многозначной автоблокировки, как правило, без напольных сигналов, АЛСН с контролем скорости движения поезда и диспетчерская централизация управления стрелками и сигналами на раздельных пунктах.
На линиях с высокоскоростным движением применяется электрический подвижной состав, хотя предпринимались попытки использования в высокоскоростных поездах дизелей и газотурбинных установок в качестве тяговых двигателей. Высокоскоростные поезда представляют собой составы постоянного формирования с локомотивной или моторва-гонной тягой. В ряде случаев для высокоскоростного движения используются сочлененные вагоны с промежуточными тележками. Подвижной состав ВСМ характеризуется низкой удельной нагрузкой на ось – ок. 18-16 т. В опытном японском поезде «STAR 21» удалось добиться нагрузки на ось всего 7,4 т.
Тяговый электропривод с инвер-торными преобразователями и асинхронными электродвигателями предопределил успех в создании высокоскоростных поездов в 80-90-х гг. 20 в. Появление в 80-х гг. запираемых тиристоров (GTO) позволило упростить схемы преобразователей, сократить число элементов в них и начать широкое использование на ж.-д. транспорте мощных, компактных, надежных и относительно дешевых асинхронных тяговых двигателей. ВСМ, как правило, электрифицированы на переменном токе промышленной частоты – 50 или 60 Гц, с напряжением в контактном проводе 25 кВ. В ряде стран используется переменный ток пониженной частоты – 162/з Гц и напряжение в контактной сети 15 кВ. Для увеличения длины межподстанционных зон энергоснабжения на ВСМ часто используется система 2 х 25 к В переменного тока с промежуточными автотрансформаторами. Некоторые соединительные линии и участки входов ВСМ в ж.-д. узлы электрифицированы на постоянном токе напряжением 1,5 или 3,0 кВ.