Высокоскоростной электропоезд Frecciarossa 1000

Высокоскоростной электропоезд Frecciarossa 1000

Продолжаются предварительные испытания электропоезда Frecciarossa 1000 (V300ZEFIRO), рассчитанного на скорость до 360 км/ч и предназначенного для компании Trenitalia — оператора пассажирских перевозок железных дорог Италии (FS). В 2015 г. эти поезда будут введены в регулярную эксплуатацию и станут самыми быстрыми в Европе.

В сентябре 2010 г. был подписан контракт, в соответствии с которым консорциум в составе компаний Bombardier Transportation и AnsaldoBreda должен построить для итальянского оператора Trenitalia 50 высокоскоростных поездов. Стоимость контракта — 1.54 млрд евро, при этом доля компании Bombardier, которой принадлежит ведущая роль в разработке конструкции нового поезда, его отладке и вводе в эксплуатацию, составляет 654 млн евро.

Электропоезд, который у Trenitalia получил название Frecciarossa 1000 (или ETR 1000), относится к семейству поездов V300ZEFIRO (рис. 1) и представляет собой дальнейшее развитие созданной Bombardier конструктивной платформы высокоскоростных поездов ZEFIRO, на основе которой ранее по заказу Китая компанией были разработаны поезда ZEFIRO 380 (рассчитан на скорость до 380 км/ч) и ZEFIRO 250, который имеет максимальную скорость 250 км/ч и формируется в том числе из вагонов со спальными местами. При создании поезда использован также опыт, накопленный компанией AnsaldoBreda при разработке и строительстве поездов платформы V250.

Поезда V300ZEFIRO предназначены для эксплуатации как во внутренних, так и в международных сообщениях между разными странами Европы, что подразумевает их соответствие европейским требованиям эксплуатационной совместимости (TSI), возможность работы от нескольких систем электроснабжения переменного и постоянного тока, а также с разными системами сигнализации, принятыми в европейских странах, в частности в Австрии, Бельгии. Франции. Германии, Нидерландах. Испании и Швейцарии.

Заказанный Trenitalia электропоезд Frecciarossa 1000 будет изначально использоваться только во внутренних сообщениях. Как и на разработанных ранее поездах семейства ZEFIRO. на нем предусмотрена распределенная тяга. Максимальная скорость поезда — 400 км/ч. однако в условиях регулярной эксплуатации она. по-видимому, не будет превышать 360 км/ч.

Поезда Frecciarossa 1000 строятся на расположенных в Италии предприятиях — крупнейшем заводе компании AnsaldoBreda в Пистое и заводе компании Bombardier в Вадо-Лигуре (первые пять поездов).

Завод в Вадо-Лигуре (рис. 2) входит в число старейших итальянских предприятий транспортного машиностроения. На нем более 100 лет назад был построен первый в стране электровоз. Общая площадь производственных помещений составляет 33 000 кв.м, число работников превышает 600 чел.

Наряду с высокоскоростными поездами Frecciarossa 1000 на заводе производятся электровозы семейства TRAXX. Здесь были также построены 730 электровозов серии Е464.

Frecciarossa 1000
Рис. 1. Презентация высокоскоростного поезда Frecciarossa 1000 в Вадо-Лигуре 3 июля 2013 г. (фото: Bombardier)

Frecciarossa 1000
Рис. 2. Завод компании Bombardier в Вадо-Лигуре

Технические характеристики электропоезда Frecciarossa 1000

Еще в 2007 г. специалисты Bombardier провели тщательный анализ путей расширения присутствия компании на рынке высокоскоростного подвижного состава и приняли решение о разработке собственной платформы высокоскоростных поездов ZEFIRO и производстве подвижного состава на ее основе. В тот момент компания успела поучаствовать в 95 % мировых проектов по высокоскоростному движению, но в составе консорциумов либо в качестве субподрядчика. Так, доля Bombardier в немецких поездах ICE составляла почти 50 %, в швейцарских ICN — 80 %, в испанских AVE S102 и AVE S130 — 40 %. При этом Bombardier зачастую играла ключевую роль в консорциумах, руководя проектами и поставляя ключевые компоненты поездов. Так было, например, в проекте создания поезда AVE S130, головные моторные вагоны для которого разработаны и построены Bombardier.

Новым поездам компании Bombardier предстояло конкурировать с продукцией Alstom и Siemens, освоивших серийное производство поездов TGV и Velaro.

Особое внимание было решено уделить совершенствованию аэродинамических и энергетических параметров поезда с использованием типовых алгоритмов, обеспечивающих достижение необходимых показателей устойчивости к воздействию бокового ветра и аэродинамического сопротивления. Это позволило оптимизировать конструкцию и технические характеристики разрабатывавшегося поезда, сделав его конкурентоспособным с поездами данного класса, разрабатываемыми другими ведущими изготовителями.

В Италии согласно условиям контракта Bombardier отвечает за концепцию и детальное проектирование поезда в целом. На компанию возложены обязанности по его сертификации, управлению проектом, поставке тягового оборудования и тележек. Компания AnsaldoBreda изготавливает кузова вагонов, отвечает за интерьеры вагонов, устройства сигнализации и т. п., а также осуществляет сборку поездов.

Поезд длиной 202 м состоит из восьми вагонов, в том числе двух моторных головных (МГ), двух моторных промежуточных (М) и четырех прицепных промежуточных (П), расположенных по схеме МГ+П+М+П+П+М+П+МГ (рис. 3). На 2-м, 4-м, 5-м и 7-м вагонах установлены токоприемники. Предусмотрено место для двух инвалидных кресел согласно спецификации TSI.

В поезде оборудованы салоны с местами для сидения четырех классов: Executive, Business, Premium и Standard (рис. 4). Кроме того, в салоне класса Business может быть выделена так называемая зона тишины. В зависимости от компоновки салонов вместимость 8-вагонного поезда составляет от 469 до 600 пассажиров. В одном из вагонов размещается бистро. Предусмотрена возможность работы двух сцепленных поездов по системе многих единиц, в этом случае суммарная вместимость достигает 1200 чел.

Frecciarossa 1000
Рис. 3. Схема поезда

Frecciarossa 1000
Рис. 4. Интерьер салона различных классов. Вверху слева — Standard, справа — Premium: внизу слева — Business, справа — Executive

Система информирования пассажиров предусматривает наличие внутренних и наружных дисплеев, а также внутрипоездную сеть Intranet на основе WiFi. Поезд оснащен системой видеонаблюдения и средствами связи между пассажирами. проводниками и машинистом. В каждом промежуточном вагоне предусмотрены два туалета, в головных и вагоне с бистро — по одному. Пассажирские кресла снабжены местным освещением на основе светодиодов и розетками на напряжение 220 В переменного тока. Салоны оборудованы автоматическими системами активного и пассивного пожаротушения.

Поезд оснащен 16 асинхронными тяговыми двигателями, получающими питание от преобразователей на транзисторах IGBT с водяным охлаждением. Кузов вагона выполнен из алюминиевых профилей.

Высокоскоростные тележки FLEXX (рис. 5) снабжены дисковыми тормозами. Масса моторной тележки — примерно 9.5т. немоторной — 7.4т.

Кабина управления поезда разработана с учетом современных требований эргономики (рис. 6).

На рис. 7 представлена электрическая схема поезда, на рис. 8 — его тяговая и тормозная характеристики. Кривая ускорения поезда показана на рис. 9.

Поезд рассчитан на пробег в условиях эксплуатации на высокоскоростных линиях в среднем 500 тыс. км в год. при этом предполагается. что он используется в течение 18 ч в день. Ремонтные подразделения. обеспечивающие техническое обслуживание поездов Frecciarossa, будут функционировать ежедневно и круглосуточно.

Обслуживание поездов будет строиться на основе разработанных компанией Bombardier технологий дистанционной диагностики и методов организации технического обслуживания по фактическому состоянию. Для этого поезд оснащается датчиками и другими устройствами, позволяющими контролировать параметры его компонентов (рис. 10). На основании получаемой от них информации в случае необходимости про-изводится ремонт либо замена отдельных компонентов, что позволяет предотвратить их выход из строя или нарушение нормального функционирования во время движения поезда.

Технические характеристики

Показатель

Значение

Максимальная конструкционная скорость, км/ч 400
Максимальная эксплуатационная скорость, км/ч 360
Длина поезда, м 202
Число вагонов 8
Масса поезда, т 500
Осевая нагрузка, т 17
Вместимость, чел. 455 (+2 места для пассажиров на инвалидных колясках)
Максимальная суммарная мощность, МВт 9,8
Число обмоторенных осей, % 50
Система тягового электроснабжения 25 кВ, 50 Гц: 3 кВ постоянного тока (опции — 15 кВ, 16,7 Гц;
1,5 кВ постоянного тока)
Сила тяги при пуске, кН 370
Ускорение при пуске, м/с2 0,7
Кузов вагона:
ширина, мм 2924
высота, мм 4080
высота пола над У ГР, мм 1240
Длина вагона, мм:
головного 26 300
промежуточного 24 900
База тележки, мм 2850
Диаметр колеса, мм:
нового 920
изношенного 850

Frecciarossa 1000
Рис. 5. Поддерживающая тележка под вагоном (слева) и моторная тележка на заводе Вадо-Лигуре

Frecciarossa 1000
Рис. 6. Пульт управления машиниста электропоезда Frecciarossa 1000

Frecciarossa 1000
Рис. 7. Электрическая схема поезда Frecciarossa 1000:
HVB — высоковольтный выключатель: HV — высоковольтное оборудование: BR — тормозные резисторы: TI — трансформатор и реактор: ТС — тяговые преобразователи: СВ — промежуточное звено постоянного напряжения

Frecciarossa 1000
Рис. 8. Тяговая и тормозная характеристика электропоезда Frecciarossa 1000 при питании от разных систем тягового электроснабжения

Frecciarossa 1000
Рис. 9. Кривая ускорения и замедления поезда Frecciarossa 1000

Аэродинамика и энергопотребление

Особое внимание при разработке поезда уделялось оптимизации аэродинамических характеристик. что важно для сокращения потребления энергии. Зависимость между аэродинамическим сопротивлением поезда и его энергопотреблением носит линейный характер. Снижение аэродинамического сопротивления на 20% приводит к уменьшению расхода энергии в среднем на 10%. В соответствии с соглашением о сотрудничестве, подписанным в 2009 г.. в исследовательских и проектных работах по созданию нового поезда принимали участие сотрудники аэрокосмического центра Deutsches Zentrum fur Luft-und Raumfahrt (DLR, Германия). Совместные исследования, проводившиеся с использованием оборудования DLR. касались в основном аэродинамических и аэроакустических проблем, вопросов динамической устойчивости, а также

Для разработки мер по контролю и снижению расхода энергии использовались созданные Bombardier программы компьютерного моделирования и автоматизированного проектирования.

Компания Trenitalia не ставила перед собой цель добиться максимального сокращения энергопотребления поездов V300ZEFIRO. Так. не было признано необходимым внедрение технических решений. способствующих уменьшению расхода энергии во время стоянки поезда, что представлялось достаточно сложной, хотя и решаемой задачей. Впрочем, достигнутые в ходе проведенных исследований результаты могут быть использованы при создании будущих поездов семейства ZEFIRO и другого подвижного состава, например двухэтажных электропоездов из вагонов с наклоняемыми кузовами TWINDEXX Swiss Express, которые Bombardier разрабатывает для Федеральных железных дорог Швейцарии.

Еще когда в 2006 г. специалисты Bombardier начинали исследования энергетических показателей высокоскоростного поезда, было очевидно, что их роль будет возрастать. При этом имела место проблема разработки методики оценки энергетических характеристик отдельных компонентов оборудования. в том числе изготовленных сторонними организациями, и их влияния на характеристики поезда в целом. Так. известно, что увеличение размеров трансформатора приведет к уменьшению его энергопотребления. Однако замена трансформатора массой 2т трансформатором массой 4 т вызовет рост общего энергопотребления поезда в связи с увеличением массы.

В дальнейшем компания Bombardier внедрила специализированное программное обеспечение Train Energy Performance, которое позволяет рассчитывать энергопотребление поезда в целом. Сейчас оно доступно для разработчиков подвижного состава во всем мире.

Это ПО использовалось при разработке поезда ZEFIRO 380. Многие технические решения, реализованные на этом поезде, были применены и при разработке поезда V3QOZEFIRO. В то же время в конструкцию последнего были внесены некоторые усовершенствования. касающиеся, в частности, тягового привода и тормозной системы, в связи с более высокими требованиями надежности, предъявляемыми в Италии.

Достаточно сложной проблемой при создании высокоскоростного поезда был поиск конструкции кузова, предотвращающей его наклон вследствие воздействия бокового ветра во время движения с высокой скоростью. Лобовая часть поезда имеет скругленную форму, и при больших скоростях воздушный поток может создавать значительную подъемную силу. В результате совершенствования конструкции и доработки формы лобовой части удалось уменьшить подъемную силу и создать силу, направленную вниз, действие которой способствует повышению устойчивости поезда.

Кроме того, для снижения аэродинамического сопротивления минимизировано число выступающих частей. Размещенные на крыше отсеки с высоковольтным оборудованием выполнены равными по высоте. Основание токоприемника утоплено в крыше. По возможности сокращены межвагонные зазоры. Оптимизирована с точки зрения аэродинамики конструкция тележек.

Frecciarossa 1000
Рис. 10. Установленное на поезде оборудование системы технического обслуживания по фактическому состоянию (СВМ). включая контроллеры состояния токоприемников (PC), тележек (ВС), преобразователей (СС) и дверей (DC) звукоизоляции салона высокоскоростного поезда. Их результаты оказали существенное влияние на конструкцию поездов ZEFIRO 380 и V300ZEFIRO.

Акустические характеристики электропоезда Frecciarossa 1000

Немаловажное значение придавалось и акустическим показателям. Известно, что при движении высокоскоростных поездов имеет место значительный шум.

Одним из основных источников шума является токоприемник. Во время движения с высокой скоростью он создает значительную вибрацию, которая передается на плоскую поверхность крыши вагона. В разрабатывавшихся ранее высокоскоростных поездах моторные вагоны были расположены по концам поезда, и в них не было пассажирских мест. Однако в поездах с распределенной тягой, к каким относится и V300ZEFIRO, пассажирские места предусмотрены во всех вагонах. в связи с чем проблема шума, передаваемого от токоприемника, требовала решения.

На поезде V300ZEFIRO было решено крепить токоприемник к боковой стенке вагона, при этом жесткость кузова и кривизна стенки способствуют уменьшению вибраций и. как следствие, уровня шума. Кроме того, когда токоприемник не используется. он находится в сложенном. практически плоском состоянии, что способствует минимизации вибрации и влияния на аэродинамические показатели.

Другой существенный источник шума — поток воздуха, обтекающий переднюю тележку. Изготовленные компанией Bombardier тележки имеют традиционную для высокоскоростных поездов конструкцию. Конфигурацию лобовой части головного вагона изменили таким образом. чтобы ноток воздуха отклонялся в большей степени перед поездом, чем непосредственно над тележкой. Такое решение оказалось успешным с точки зрения уменьшения уровня шума.

На новом поезде также реализована разработанная компанией Bombardier система активного поперечного подвешивания и установлено устройство контроля положения кузова в кривых. Когда поезд проходит кривую с высокой скоростью, смещение кузова вправо или влево может быть слишком большим. Система автоматически регулирует положение поезда относительно центральной оси, что способствует повышению комфорта поездки для пассажиров.

Не менее важной проблемой был отвод тепла. Необходимо было предусмотреть, чтобы горячий воздух, который проходит через охладитель. не использовался для охлаждения других компонентов оборудования поезда. Принималась во внимание также внешняя аэродинамика. поскольку требовалось установить пути прохождения воздушных потоков при различных скоростях движения, чтобы обеспечить, насколько возможно, охлаждение важнейших компонентов оборудования. Например, подшипники восприимчивы к изменениям температуры, поэтому их перегрева следовало избежать.

Подготовка к регулярной эксплуатации

В августе 2012 г. выполненный в натуральную величину макет головного вагона поезда демонстрировался в г. Римини, а в сентябре того же года стал экспонатом международной выставки InnoTrans в Берлине.

Первый поезд Frecciarossa 1000 был представлен на заводе компании AnsaldoBreda в Пистое 26 марта 2013 г. В июле состоялась презентация поезда на предприятии компании Bombardier в Вадо-Лигуре. тогда же он совершил первый демонстрационный рейс своим ходом.

В течение лета 2013 г. поезд проходил предварительные испытания. за которыми последовали испытания на полигоне в Велнме (Чехия, рис. 11) и в Италии на участке Парко-Дория — Вадо-Лигура (Савона). В дальнейшем все построенные поезда будут проходить испытания на железных дорогах Италии.

В рамках программы сертификации предстоит провести испытания пяти поездов различной композиции. Испытания планируется завершить в достаточно сжатые сроки — к сентябрю 2014 г. Регулярную эксплуатацию первого поезда предполагается открыть в конце 2014 или начале 2015 г.. а поставка всех 50 заказанных поездов должна быть завершена к 2017 г. С вводом в об-ращение поездов Frecciarossa 1000 длительность поездки между Миланом и Римом сократится до 2ч 15 мни.

Программа испытаний второго поезда предусматривает проверку систем сигнализации, а также контроль высших гармоник. В ходе испытаний третьего поезда, которые планируется начать в феврале 2014    г. на высокоскоростных линиях Милан — Рим и Милан-Турин, будет изучена динамика ходовых качеств и исследованы характеристики токоприемников при скорости поезда до 360 км/ч. Три вагона четвертого поезда подвергнутся испытаниям в климатической камере на предприятии Rjil Tec Arsenal в Вене в марте — июне 2014 г., а затем будут проверены их аэродинамические и акустические характеристики. Пятый поезд пройдет испытания на соответствие требованиям эксплуатационной совместимости (TSI). электромагнитной совместимости. кроме того, вместе с первым поездом он будет подвергнут испытаниям при работе по системе многих единиц.

Контракт с оператором Trenitalia предусматривает в качестве опции обеспечение соответствия поезда требованиям TSI и возможность его использования в международном сообщении, что предполагает доработку токоприемника и обеспечение совместимости с различными системами сигнализации. Пока эти меры не реализованы, однако в случае принятия соответствующего решения от 5 до 10 поездов из числа заказанных могут быть приспособлены к эксплуатации за пределами Италии.

Наличие поезда, который можно эксплуатировать на железных дорогах нескольких государств, важно для осуществления намерений Trenitalia развивать высокоскоростные международные сообщения со странами Европы. Не исключается и поставка поездов V300ZEFIRC) на другие рынки. Еще на начальном этапе реализации проекта в качестве потенциальных заказчиков называли. в частности. Бразилию и Россию, а на международном салоне «ЭКСПО 1520» в Щербинке обсуждались возможные перспективы использования поездов семейства ZEFIRO на планируемой высокоскоростной магистрали Москва — Казань. При этом компания, успешно организовавшая постройку высокоскоростных поездов в восьми странах мира, рассматривает разные подходы к локализации производства на территории России с участием местного промышленного партнера.

Frecciarossa 1000
Рис. 11. Высокоскоростной поезд Frecciarossa 1000 на испытаниях в Велиме (Чехия) в сентябре 2013 г. (фото: Bombardier)