Снижение массы скоростных поездов

Снижение массы скоростных поездов

Реализуемый в настоящее время проект стокгольмского Королевского технологического института (Швеция) ориентирован на оценку экономического и экологического эффекта от снижения массы скоростного железнодорожного подвижного состава, добиться которого можно благодаря использованию многофункциональных сандвич-панелей кузова на основе композиционных материалов.

По сравнению с другими видами транспорта подвижной состав железных дорог отличается большей удельной массой. Так, в скоростном электропоезде X2000 железных до-рог Швеции (SJ) (рис. 1) масса, приходящаяся на одно место для сидения, примерно в 3 раза больше, чем в автобусе Neoplan Spaceliner. Приблизительно половина этой разницы обусловлена тем, что в пассажирских вагонах одно место для сидения занимает значительно большее пространство, чем в автобусах. Оставшаяся часть может быть уменьшена путем совершенствования технологии производства и применения прогрессивных методов обеспечения безопасности в случае столкновения.

Электропоезд типа X2000
Рис. 1. Электропоезд типа X2000 (фото: SJ)

Многослойные панели в конструкции кузовов вагонов

Значительный эффект может быть достигнут благодаря использованию с целью снижения массы кузова современных композиционных материалов и многослойных панелей (сандвич-панелей). Исследования в данной области в рамках создания инновационной конструктивной концепции подвижного состава ведутся в центре по созданию экономичных и экологичных транспортных средств (ECO2) Королевского технологического института в Стокгольме.

Суммарная масса стен, крыши, пола, каркаса и обшивки кузова обычно достигает примерно 35-40% массы вагона, не считая тележек и тягового электрооборудования. Остальное приходится на элементы интерьера и вспомогательное оборудование. Масса панелей стен, пола и крыши составляет около 40% массы кузова, или 16% всей массы единицы подвижного состава, остальное приходится на раму и другие элементы конструкции.

Чтобы добиться значительного снижения массы, необходимо пересмотреть функциональные свойства каждого элемента. Например, несущие боковые сандвич-панели позволят частично или полностью отказаться от некоторых усиливающих элементов конструкции кузова. Использование таких панелей может также способствовать упрощению процесса производства за счет уменьшения числа требуемых элементов и обеспечить теплоизоляцию, жесткость и прочность кузова как единого целого.

Другим преимуществом данной технологии является уменьшение толщины стенок, что было подтверждено инновационной технологией FICAS, разработанной компанией Bombardier для вагонов серии C20 метрополитена Стокгольма (рис. 2).

Электропоезд серии С20
Рис. 2. Электропоезд серии С20 (фото: Bombardier)

Благодаря использованию сандвич-панелей, изготовленных по технологии FICAS, толщина стенок кузовов вагонов здесь уменьшена на 120 мм. Применительно к типичному скоростному поезду с расстановкой кресел по схеме 2 + 2 внедрение подобной технологии позволит увеличить на 60 мм ширину личного пространства для каждого пассажира.

Применение многослойных конструкций и композиционных материалов при изготовлении подвижного состава железнодорожного транспорта не является чем-то новым. Композиционные материалы уже используются при отделке интерьеров салонов или в конструкции модулей кабин управления обтекаемой формы. Имеется также несколько примеров подвижного состава, в конструкциях которого использованы сандвич-панели, в частности пассажирские вагоны типа Revvivo ныне не существующей компании Schindler Waggon и опытный образец поезда TTX из вагонов с наклоняемыми кузовами (Республика Корея; рис. 3). Однако кузова всех этих вагонов имеют стальные рамы для увеличения жесткости.

В идеальном варианте простым решением был бы отказ от применения рамы. Не исключено, что за счет использования оптимизированных композиционных материалов и некоторого изменения формы кузова станет возможным создание безрамной конструкции — например, путем установки высококачественных сандвич-панелей с покрытием из углепластика и алюминиевым ячеистым внутренним слоем.

Опытный электропоезд
Рис. 3. Опытный электропоезд типа ТТХ железных дорог Республики Корея

Существует достаточно большое число композиционных материалов разнообразного назначения, и оказываемое ими воздействие на окружающую среду также отличается. С учетом длительного срока службы вагонов следует выбирать материал с наименьшей массой, обладающий лучшими экологическими показателями.

Потребление энергии скоростными поездами

При сроке службы, составляющем обычно до 40 лет, пробег вагонов скоростного поезда за это время достигает примерно 15 млн км. Снижение массы на 100 кг позволяет сократить потребление энергии поездом в течение его жизненного цикла примерно на 100 ГДж. Если считать, что зависимость между этими показателями является линейной, при планируемом для рассматриваемого исследовательского проекта снижении массы поезда на 4 т потребление энергии сократится на 4000 ГДж.

Удельное потребление энергии электропоездом X2000 составляет 10 кВт-ч/поездо-км. В течение срока его службы при пробеге 15 млн км потребление энергии достигает при-мерно 540 тыс. ГДж. Приблизительно 25% энергопотребления зависит от массы подвижного состава, причем только 20% этой массы находится внутри несущей конструкции, т. е. из всей потребленной энергии 27 тыс. ГДж приходится собственно на эту конструкцию. Снижение массы на 30% эквивалентно сокращению потребления энергии примерно на 8 тыс. ГДж. Это больше, чем предполагаемые затраты энергии на производство подвижного состава, включая переработку сырья (рис. 4).

Потребление энергии скоростными поездами
Рис. 4. Потребление первичной энергии в течение жизненного цикла скоростного электропоезда при использовании различных материалов в конструкции кузовов вагонов
Однако не всегда возможно определить реальное значение снижения массы подвижного состава с точки зрения уменьшения воздействия на окружающую среду, в частности сокращения эмиссии парниковых газов. Необходимо иметь в виду, что величина эмиссии соединений углерода при эксплуатации поездов на электрической тяге зависит от способов выработки электроэнергии, используемых в данном регионе.

По данным ряда исследований, можно предположить, что к 2050 г. потребление энергии на 1 пассажиро-км при поездке на дальние расстояния на легковом автомобиле снизится до 0,12 кВтч, на самолете — до 0,32 кВт-ч. Аналогичный показатель для междугородного железнодорожного транспорта уже сейчас ниже этих значений, а к 2050 г. окажется менее 0,05 кВт-ч/пассажиро-км, что эквивалентно расходу бензина, равному 0,005 л/пассажиро-км. В рамках реализуемой в Швеции программы Grona Taget («Зеленый поезд») такой уровень расхода энергии уже подтвержден во время испытаний модернизированного электропоезда Regina на новой линии Botniabanan (рис. 5).

Электропоезд Regina
Рис. 5. Электропоезд Regina компании Bombardier, модернизированный на железных дорогах Швеции по программе Grona Taget (фото: Bombardier)

Энергопотребление также зависит от физического сопротивления движению поезда: сопротивления качению, сил гравитации и ускорения, аэродинамического сопротивления. Последнее зависит от очертаний и длины подвижного состава и приблизительно пропорционально квадрату скорости. Три другие величины зависят от массы подвижного состава, и поэтому любые меры, направленные на ее снижение, приводят к их уменьшению.