Управление электропоездами

Управление электропоездом

Как-то, давным-давно, обещал я рассказать об электропоезде «Сапсан». Пришло время выполнить свое обещание.

Для начала скажу, что речь не пойдет о дороговизне билетов, расписании этого поезда, о его уместности в инфраструктуре Октябрьской железной дороги. Пройдем мимо хайповых тем. Речь пойдет сугубо о технической стороне вопроса, затрагивающей в частности и тормоза. Но не только их.

Бытует широкое мнение, что водить поезда легко, раз рулить на локомотиве не надо, то и нет проблем, не надо никаких знаний и опыта, сиди себе и катись по рельсам. Мнение это, настолько ошибочно, что вызывает усмешку и недоумение у машинистов и помощников. Но так могут говорить люди настолько далекие от железных дорог и не имеющие ни малейшего понятия об этом. Да, руля на локомотивах и вагонах нет, тележки свободно поворачиваются на шкворнях благодаря гребням на бандажах колес, которые находятся внутри рельсовой колеи, но на этом все «привилегии» в вождении заканчиваются. Вождение составов – дело очень серьезное, глубоко научное, требующее точных расчетов и аналитического склада ума у машинистов и помощников. Попробую немного познакомить вас с этим непростым делом – ведением поезда.

Кабина машиниста электровоза 2ЭС4К

Поезда у нас делятся на пассажирские, грузовые и хозяйственные. Хозяйственных я касаться не буду, они не отличаются большой длиной и весом, но они жизненно необходимы, имея в своем составе машины и вагоны для текущего содержания и капитального ремонта пути, а также устройств контактной сети, мостов и тоннелей.

Любой состав движется благодаря тяги локомотива- электровоза или тепловоза. Поэтому их вес и длина строго регламентируются для соответствующих участков, исходя из профиля пути, величин руководящих (максимальных) подъемов и уклонов. Все это рассчитано для того, чтобы локомотив мог спокойно вести любой состав на данном участке.

Управляя локомотивом, машинист регулирует мощность электровоза контроллером (он как раз похож на руль): на электровозах постоянного тока существует 37 позиций регулирования, на электровозах переменного тока – 33, из них только каждая пятая ходовая, а на тепловозах – 15 (контроллеры маневровых тепловозов имеют, как правило, 8). На современных электровозах регулирование напряжения осуществляется выпрямительно-инверторными преобразователями (ВИП) и тяговыми преобразователями (ТП), контроллер на них имеет четыре зоны регулирования. Вот весь интервал регулирования напряжения на тяговых электродвигателях, который может выдать локомотив.

Все у нас нормально – поехали, тронули состав с места и вперед! Вот тут сразу в режим ведения включается целая цепь событий, вводных, просто случайных, которые обязательно возникают. Это и условия движения на участке – максимальные скорости движения по перегонам и по путям станций, сигналы светофоров, погодные условия и многое другое. Самая важная часть (особенно в грузовых) – управление тормозами. Управление тормозами —  процесс, требующий точного расчета и контроля, нарушение в управлении тормозами может привести к тяжелым последствиям. Здесь важно все – профиль пути, скорость, метеоусловия и многое другое.

В пассажирских составах вагонов не так много, вес невелик и используется электропневматическое торможение (ЭПТ), когда все вагоны одновременно тормозят и одновременно отпускают тормоза (мечта любого грузового машиниста), даже при отказе ЭПТ и при переходе на обычное торможение, в пассажирском особых проблем не возникает, главное не пролететь перрон (так называемое нерасчетливое торможение), тогда пассажиры выскажут все нехорошее в сторону локомотивной бригады, конечно это нежелательно, но иногда бывало, особенно с пригородными.

Зимой в сильные морозы металл автосцепок становится хрупким и если беспечно управлять тормозами в грузовом, то вероятность обрыва автосцепок весьма реальна. Поэтому машинист грузового постоянно решает беспрерывно возникающие задачи по ведению. А режим ведения и торможения груженых тяжелых поездов (до 8000 тонн одним локомотивом) существенно отличается от грузовых порожних, длина которых может составлять до 140 полувагонов (сотка).

Теперь представим себе ливень или метель, движение к светофору с желтым огнем, а затем и с красным, или на боковые пути станций и много еще чего, что легко вносит изменения в режим движения. А на станциях и перегонах разный профиль, во многих случаях «ломаный», подъемы и сразу спуски, такие своеобразные «горбы», вот и думай машинист, как проследовать эти участки и как тормозить, чтобы и состав не «порвать» (например, везешь 7000 тонн), и запрещающий сигнал не дай Бог не проехать, и не задержать бегущий сзади пассажирский, в общем, задач требующих быстрых расчетов, до бесконечности много в пути следования. И самое главное – необходимо обеспечить безопасность движения, а это ответственность, вплоть до уголовной и это не шутка!

У машинистов пассажирских таких вводных тоже немерено, но о пассажирских я напишу чуть позже. Ну и конечно всегда надо быть уверенным в исправности локомотива, если что пойдет не так, то поездка будет происходить уже совсем по другому варианту, вот ведешь и мысленно просишь электровоз или тепловоз – не подведи, родимый! Я коснулся темы ведения поездов только слегка, если все расписать не хватит и десяти страниц! Но в следующих статьях я постараюсь продолжить эту интересную тему!

Немного общих цифр

Электропоезд «Сапсан» является локализованной версией семейства высокоскоростных поездов Velaro, на базе которого Siemens производит высокоскоростные поезда как для Deutsche Bahn (немецких железных дорог), так и много ещё для кого. У нас поезду дали обозначение ЭВС — Электропоезд Высокоскоростной Сименс. Дорога эксплуатирует два его варианта: ЭВС1 для участков, работающих на постоянном токе 3 кВ и ЭВС2 — двухсистемый электропоезд для сетей постоянного тока 3 кВ и переменного тока 25 кВ.

«Сапсану» присущи все характерные черты высокоскоростных поездов, сформировавшиеся за 56 лет эксплуатации этого вида транспорта в разных странах мира.

Во-первых, «Сапсан» — поезд постоянного формирования. В отличие от пригородных электропоездов («собак»), которые формируются из пар «моторный вагон + прицепной вагон» (плюс головные вагоны с кабиной управления), за счет чего можно формировать «электрички» разной длины, «Сапсан» является монолитной неразделяемой инженерной системой. Все вагоны в поезде эксплуатируются вместе. Поезд сформирован из десяти 4-х осных вагонов, средней массой 65 тонн, то есть масса поезда около 650 тонн, что соответствует статической нагрузке от одной колесной пары на рельс 16,3 тонн, при допускаемой для высокоскоростных поездов 18 тонн. Вагоны поезда цельнометаллические, с несущим кузовом.

Условно поезд можно разделить на две пятивагонные секции, симметричные по компоновке.

Компоновка электропоезда ЭВС1 для системы постоянного тока (кликабельно)

Каждый вагон в пятивагонной секции имеет свою «профессию»:

• Головной моторный (SR B) — в этом вагоне располагается кабина управления, тяговый преобразователь и четыре тяговых двигателя
• Промежуточный прицепной (DR T) — здесь расположены два токоприемника постоянного тока и быстродействующий выключатель, для защиты силовых цепей от перегрузки
• Промежуточный прицепной, на ЭВС1 имеющий обозначение MW T. На двухсистемном ЭВС2 в этом вагоне расположен тяговый трансформатор, главный выключатель и токоприемник переменного тока, и тогда этот вагон обозначается TR T — «трансформаторный»
• Промежуточный моторный (SR T) — здесь «едет» тяговый преобразователь, питающий четыре двигателя
• Промежуточный прицепной (BAT R) — в этом вагоне расположены аккумуляторная батарея и преобразователи собственных нужд, вырабатывающие напряжение 110 В постоянного тока, для питания цепей управления и трехфазное напряжение переменного тока 440 В, 60 Гц, для питания вспомогательных машин. В этом вагоне также расположены и тормозные резисторы.

Компоновка двухсистемного электропоезда ЭВС2 (кликабельно)

Другая секция из пяти вагонов, с 6-го по 10-й, устроена совершенно симметрично.

Основной объем в любом из вагонов занимает пассажирский салон, вместимость которого от вагона к вагону несколько отличается. Поэтому, для размещения оборудования остается только крыша и пространство под полом вагона. На крыше, главным образом размещаются токосъемные устройства, высоковольтные шины и аппараты защиты. Внизу, под полом вагона, в контейнерах размещено преобразующее и регулирующее оборудование, тормозное оборудование, вспомогательные машины. Кроме всего этого, на тележках моторных вагонов размещаются асинхронные тяговые двигатели мощностью по 510 кВт каждый (2 двигателя на тележку, по две тележки на вагон). Таким образом, полная мощность электропоезда составляет свыше 8 МВт. Максимальная касательная сила тяги — около 325 кН. Таким образом доступное при пуске максимальное ускорение равно 0,5 м/с2.

Силовая электрическая схема

Проще всего описать схему двухсистемного электропоезда ЭВС2 — односистемый ЭВС1 отличается от него отсутствием оборудования для работы на переменном токе.

Функциональная схема силовых цепей электропоезда ЭВС2 (кликабельно)

Traktions container — контейнер тягового преобразователя; Netzfilter — сетевой фильтр; Traktions motoren — тяговые двигатели

При работе на переменном токе, напряжение снимается из контактной сети одним из токоприемников переменного тока P-AC, и через главный выключатель AC-HS и крышевой ввод попадает в третий (или восьмой) вагон электропоезда. Токоприемников переменного тока на поезде два — поднимается задний по ходу движения токоприемник, второй выступает в качестве резервного и вступает в дело при повреждении основного токоприемника. Питание на секцию с опущенным токоприемником подается по крышевой высоковольтной шине, через пару разъединителей DLT. Переменное напряжение 25 кВ, 50 Гц, поступает на первичную обмотку тягового трансформатора, понижается им, и от четырех вторичных полуобмоток подается в контейнеры тяговых преобразователей (Traktions container). Там это напряжение выпрямляется четырехквадрантными преобразователями (4QS-преобразователи), подаваясь на вход звена постоянного тока, и далее на автономный инвертор напряжения (АИН) PWR, питающий тяговые двигатели.

Не следует путать 4QS-преобразователь с управляемым выпрямителем. Выпрямитель, в том числе управляемый, всегда является понижающим AC-DC преобразователем, в то время как 4QS-преобразователь, кроме того что может работать как управляемый выпрямитель, является ещё и повышающим AC-DC преобразователем, за счет наличия в его схеме контура короткого замыкания с индуктивным дросселем и специального алгоритма управления ключами. Подробнее о принципе его работы можно почитать, например, тут, так как в задачу данной статьи не входит описание принципов построения силовых преобразователей. Тем не менее, отмечу, что напряжение (действующее) на вторичной полуобмотке тягового трансформатора равно 1550 В, при этом с выхода 4QS-преобразователя снимается напряжение постоянного тока 3 кВ. За счет данного преобразователя, система управления стабилизирует напряжение в звене постоянного тока, вне зависимости от колебаний напряжения в тяговой сети (от 19 до 29 кВ).

Упрощенная схема силовой цепи при питании переменным током (кликабельно)

Часть схемы со звеном постоянного тока и АИН у ЭВС1 и ЭВС2 совершенно идентична, за исключением того, что при питании от постоянного тока, АИН вынужден довольствоваться тем напряжением постоянного тока, которое приготовила ему тяговая подстанция. С учетом тяги других поездов на участке, рабочие пределы его изменения от 2,2 до 4 кВ.

При работе на постоянном токе, каждая секция поезда питается от своего токоприемника постоянного тока P-DC. Таких токоприемников на поезде четыре, они попарно расположены на втором и девятом вагоне. В нормальной работе поднимается задний по ходу движения токоприемник в каждой пятивагонной секции. Второй токоприемник в паре является резервным.

Упрощенная схема силовой цепи при питании постоянным током (кликабельно)

Почему на постоянном токе поднимают два токоприемника? Потому, что действующее значение напряжения в сети постоянного тока (3 кВ) меньше действующего значения напряжения в сети переменного тока (25 кВ) в 8,3 раза. При одинаковой потребляемой из сети мощности, ток текущий через токоприемник постоянного тока будет выше во столько же раз. По правде несколько не совсем так, нужно еще учитывать реактивую мощность в цепи переменного тока, однако, если использовать один токоприемник, он получится и массивным, и протекание всего тягового тока может вызвать пережог контактного провода в месте токосъема, поэтому тяговый ток уполовинивают, питая каждую секцию от своего токоприемника.

Итак, постоянный ток, через токоприемник P-DC и быстродействующий выключатель DC-HS подается на отпайку плюсового провода звена постоянного тока тягового преобразователя и подается на вход автономного инвертора напряжения (АИН) PWR. АИН преобразует постоянный ток в переменный трехфазный, с изменяющейся частотой и амплитудой напряжения, за счет чего осуществляется регулирование тягового усилия, развиваемого тяговыми электродвигателями (ТЭД).

Рассмотренная схема обеспечивает режим тяги, так и режим электродинамического торможения, которое на «Сапсане» рекуперативно-реостатное.

При возможности выполнять рекуперацию (исправные силовые цепи и ненасыщенная контактная сеть с напряжением на постоянном токе менее 4кВ, на переменном — менее 29 кВ) выполняется рекуперативное торможение. АИН работает как регулируемый трехфазный выпрямитель по схеме Ларионова, преобразуя трехфазное напряжение, вырабатываемое ТЭД в постоянный ток, которое при работе на постоянном токе отдается в сеть, а при работе на переменном — преобразуется в однофазное напряжение 4QS-преобразователем, работающим в режиме инвертора, обеспечивающего компенсацию реактивной мощности, значение коэффициента мощности максимально близким к единице (пресловутый «косинус фи»). Далее, повышенное тяговым трансформатором напряжение, выдается в сеть.

При срыве рекуперации, энергия, преобразованная АИН, перераспределяется на тормозной резистор RB. Для решения этой задачи в звене постоянного тока в силовую цепь включен импульсный регулятор напряжения (ИР), представляющий собой транзисторный понижающий DC-DC преобразователь, основная задача которого — регулирование тока, протекающего через тормозной резистор.

Каждый тяговый преобразователь имеет индивидуальный тормозной резистор, которые собраны в блоки и располагаются под защитным обтекателем с жалюзи на крышах пятого и шестого вагонов.

Таким образом, каждый из четырех моторных вагона электропоезда оснащен одним тяговым преобразователем, обеспечивающим работу четырех тяговых двигателей в режиме тяги и электродинамического торможения. Из сорока осей в поезде, 16 осей оснащены тяговым приводом, общей мощностью 8 МВт в режиме тяги и рекуперации и 3,2 МВт в режиме реостатного торможения (40% мощности за счет ограничения тока через тормозные резисторы).

Приведу тяговую характеристику поезда — зависимость силы тяги от скорости (кликабельно)

Из этого графика, в частности, видно, что электропоезд способен разогнаться до скорости свыше 300 км/ч на площадке, а на подъеме в 10 тысячных поддерживать скорость 230 км/ч.

При исправном одном моторном вагоне (25% мощности) поезд на площадке вполне легко пойдет со скоростью 180 км/ч, а на подъем в 10 тысячный будет уверенно ехать со скоростью 80 км/ч.

Все вышесказанное говорит о том, что поезд располагает запасом мощности, и способен на гораздо более высокие эксплуатационные показатели, чем он демонстрирует сейчас.

Ограничение в 250 км/ч введено искусственно в системе управления тягой, из-за отсутствия на наших дорогах инфраструктуры для движения с большими скоростями. После модернизации участка Москва — Санкт-Петербург, однако, «Сапсан» (при отключенной системе АУДиТ — Автоматическое Управление Движением и Торможением, как раз и не дающей разогнаться выше 250) достиг скорости 291 км/ч. Быстрее по нашим железным дорогам пока никто не ездил.

Тормозные системы электропоезда

Рассмотрим общие черты тормозов. Электропоезд оснащен несколькими тормозными системами:

• Пневматический тормоз непрямого действия (автоматический тормоз)
• Электропневматический тормоз непрямого действия
• Электродинамический рекуперативно-реостатный тормоз (4 вагона из 10)
• Стояночный тормоз с пружинными энергоаккумуляторами (СПТ)

В штатном режиме использование этих тормозных систем выполняется системой управления. В соответствии с состоянием органом управления на пульте машиниста, задания, формируемое подсистемой АУДиТ — Автоматическое Управление Движением и Торможением, а так же подсистемой автоведения, происходит выбор рабочей тормозной системы и уровень тормозного усилия ей обеспечиваемый.

Управление движением, в том числе и торможением, обеспечивается тремя рукоятками на пульте машиниста. При этом различают несколько режимов регулирования скорости:

• Автоведение — управление поездом без вмешательства машиниста
• Поддержание заданной скорости — машинист задает требуемую скорость задатчиком скорости (рукоятка 1 на рисунке ниже), ограничивая мощность привода в тяговом режиме задатчиком силы тяги (рукоятка 3). Разгон, при полной тяговой мощности автоматически происходит с ускорением не более 0,5 м/с2. Тормоза задействуются автоматически, при превышении текущей скорости над заданной, обеспечивая торможение с ускорением -0,5 м/с2. Таким образом, в этом режиме поезд управляется одной единственной рукояткой задатчика скорости, а переход из тяги в торможение выполняется плавно и без участия машиниста.
• Режим ручного торможения. Машинист задает тормозное ускорение тормозным контроллером под правой рукой (рукоятка 4), система управления поездом поддерживает это ускорение на заданном уровне. При этом режим тяги отключается, и повторное включение тяги, после ручного торможения, возможно только при полном отпуске тормозов и перевода рукоятки задатчика тяги в положение «0» (так называемое квитирование)

Кабина электропоезда «Сапсан» (кликабельно)

1 — задатчик скорости; 2 — дисплейный модуль устройства безопасности КЛУБ-У; 3 — задатчик силы тяги; 4 — тормозной контроллер (задатчик тормозного ускорения); 5 — реверсивный переключатель; 6 — дисплей интерфейса «человек-машина»; 7 — тормозной дисплей.

В любом из перечисленных режимов управления, система управления тормозами руководствуется, прежде всего, величиной заданного ускорения, которое, в ручном режиме, в зависимости от положения рукоятки контроллера и скорости поезда определяется по следующим кривым

Кривые заданного тормозного ускорения (кликабельно)

Для обеспечения заданного ускорения приводятся в действие тормоза, причем приоритетным рабочим тормозом является электродинамический рекуперативный тормоз (ЭДТ) на моторных вагонах.

Естественно и логично отдавать приоритет ЭДТ, так как 40% вагонов поезда являются моторными, при этом ЭДТ обеспечивает довольно существенное тормозное усилие. О мощности ЭДТ на «Сапсане» можно судить по его тормозной характеристике

Тормозные характеристики электропоезда в режиме ЭДТ (кликабельно)

В режиме рекуперативного торможения, на скорости 250 км/ч, ЭДТ обеспечивает поезду тормозное ускорение -0,18 м/с2, при меньших скоростях его эффективность повышается до -0,5 м/с2.

При недостаточной эффективности ЭДТ, приводятся в действие пневматические (ПТ) или электропневматические (ЭПТ) тормоза на прицепных вагонах — моторные продолжают использовать ЭДТ. При этом тормозное усилие регулируется таким образом, чтобы, опять таки, поддерживать заданное ускорение. При превышении ускорения над заданным значением, прежде всего отпускаются пневматические тормоза. Система стремится, таким образом, максимально использовать возможности электрического тормоза.

При скорости ниже 3 км/ч, выполняется замещение электродинамического тормоза пневматическим. При снижении эффективности ЭДТ на каком либо из моторных вагонов, конкретно на этом вагоне выполняется замещение ЭДТ на ПТ/ЭПТ.

Особенности конструкции пневматических и электропневматических тормозов

Об этих системах следует поговорить подробнее, даже вне рамок данной статьи. В этой же статье поговорим об общих принципах реализации автоматических тормозов на «Сапсане».

Высокоскоростное движение предъявляет к пневматическим и электропневматическим тормозам обязательное требование — любое торможение с применением ПТ/ЭПТ должно происходить с обязательной разрядкой тормозной магистрали служебным темпом!

Исходя из данного требования, торможение всегда осуществляется путем разрядки тормозной магистрали с последующим срабатыванием на каждом вагоне воздухораспределителя (ВР), набирающего тормозные цилиндры из запасного резервуара (ЗР). Даже если это торможение электропневматическое.

При работе ЭПТ происходит одновременная разрядка тормозной магистрали на всех вагонах, локально, в месте подключения к ней воздухораспределителя, выполняемая электропневматическими вентилями. Этим обеспечивается одновременность их срабатывания, но и только! Воздухораспределитель реагирует только на разрядку тормозной магистрали. Конструкций подобных нашему пассажирскому ЭПТ, где разрядки ТМ практически не происходит, а наполнение тормозных цилиндров ведется из запасного резервуара непосредственно электровоздухораспределителем, с одновременной подпиткой ЗР из ТМ, вы на высокоскоростных поездах не увидите.

При выключении ЭПТ, разрядка тормозной магистрали выполняется с головы поезда, со стороны рабочей кабины, устройством, по своему действию аналогичным крану машиниста, именуемым блок управления тормозной магистралью (БУТМ). Посмотрим на схему тормозов головного вагона

Упрощенная схема тормозов головного моторного вагона (кликабельно)

Зарядное давление тормозной магистрали на «Сапсане» равно 0,5 МПа. Система управления, через электропнематические вентили, снижает давление в уравнительном резервуаре (УР) служебным темпом. В след за этим, БУТМ, стремясь поддерживать давление в тормозной магистрали давлению в УР, снижает давление и в ней служебным темпом.

Воздухораспределитель срабатывает на торможение. Но он не наполняет тормозные цилиндры! Он создает в своей тормозной камере давление, равное тому, которое должно установится в тормозных цилиндрах! За наполнение ТЦ отвечает преобразователь давления (ПД), работающий как пневматическое реле. Тормозная камера ВР соединена с рабочей камерой ПД трубопроводом, через запирающий электропневматический вентиль.

При подаче питания на этот вентиль, он перекрывает трубопровод и сбрасывает давление из рабочей камеры ПД, что приводит к отпуску тормозов даже при сработавшем на торможении воздухораспределителе. Питание на этот вентиль подается, если на вагоне работает электрический тормоз. Если электрический тормоз не работает, питание с этого вентиля снимается и происходит наполнение тормозных цилиндров до давления, заданного от ВР.

Замечу также и то, что запасный резервуар, непрерывно, через обратный клапан, отпитывается от питательной магистрали (ПМ), где поддерживается давление от 0,8 до 1 МПа, за счет работы компрессора. Давление в ЗР лежит в этих же пределах, так что пневматический тормоз электропоезда является неистощимым. В отличие от поездов с локомотивной тягой, питательная магистраль проходит через все вагоны электропоезда.

Схема тормозов моторного промежуточного вагона выглядит также, как и на головном, за исключением того что там отсутствует БУТМ. На прицепном вагоне установлено 6 тормозных цилиндров, вместо четырех на моторном, в остальном, его устройство в части тормоза, аналогично устройству моторного промежуточного вагона.

Следует отметить, что воздухораспределитель, обозначаемый страшной аббривеатурой KEdSo-EAE, производства Knorr Bremse, в отличие от ВР 242, принятого у нас, имеет ступенчатый пневматический отпуск, за счет того, что работает на разнице не двух давления (в ТМ и ЗР), а трех давлений: в тормозной магистрали (ТМ), рабочей камере (РК) и тормозной камере (ТК). В РК сохраняется давление равное зарядному, что позволяет выполнять отпуск ступенями.

Второй нюанс — БУТМ, который является по сути не просто тормозным краном с дистанционным управлением, а управляется опосредованно, через систему управления поездом, которая сама, без участия машиниста решает, когда и насколько разрядить тормозную магистраль, чтобы обеспечить требуемое ускорение (заданное машинистом, подсистемой АУДиТ или системой автоведения), а так и когда отпустить тормоза, тоже принимает решение электроника.

А что делать, если «эта ваша электроника» выйдет из строя? Во-первых, есть режим экстренного торможения (ЭТ). Реализуется он безо всякой электроники — машинист, переведя контроллер в положение ЭТ, механическим клапаном открывает огромную дыру в тормозной магистрали. Справа, на тумбе, установлен второй клапан, выполняющий ту же функцию — нажатие на ударную кнопку открывает ТМ в атмосферу. Естественно, существует и ряд электрических цепей, образующих так называемую ПЭТ — Петлю Экстренного Торможения. Но её функция вторична, поезд может быть остановлен и без неё.

Вторым способом, уже после ЭТ и откачки поезда, если надо довести поезд до депо без вызова вспомогательного локомотива, является использование крана резервного управления. Он установлен справа от машиниста на боковой тумбе и имеет три положения: О — отпуск, П — перекрыша, Т — торможение. Этот кран позволяет вручную, пневмо-механически регулировать давление в ТМ, выполняя торможение и отпуск тормозов.

Электропоезд ЭД4М

Конспект лекций входит в состав учебно-методического комплекса предмета «Устройство и ремонт поездов» (292 часа теоретического обучения) и предназначен для профессиональной подготовки обучающихся по профессии «Машинист электропоезда» (срок обучения 6 месяцев). Конспект лекций включает все темы предмета и может использоваться как преподавателями при подготовке к занятиям, так и обучающимися для самостоятельного изучения.

Механическая часть

Самый ответственный элемент в механической части поезда — экипажная часть, а именно тележка. Именно она обеспечивает образование и передачу на кузов тягового и тормозного усилия, ее элементы непосредственно взаимодействуют с верхним cтроением пути. При движении на высоких скоростях именно тут происходят самые интересные динамические процессы.

На «Сапсане» используется два типа тележек: тележка моторного вагона, и тележка прицепного вагона. Принципиальным и главным отличием одной от другой является наличие и отсутствие тягового привода. Наличие тягового привода определяет и разную конструкцию механики тормоза.

Общий вид тележки моторного вагона (кликабельно)

1 — рама тележки; 2 — клещевой механизм дискового тормоза; 3 — рессорное подвешивание 1-й тупени; 4 — пневморессора 2-й ступени; 5 — гаситель поперечных колебаний; 6 — демпфер виляния; 7 — тяговый электродвигатель (ТЭД); 8 — опора пружины качания; 9 — форсунка песочницы; 10 — путеочиститель (только на головных вагонах); 11 — зубчатая муфта поперечной компенсации; 12 — тяговый редуктор; 13 — колесная пара; 14 — буксовый узел; 15 — гаситель вертикальных колебаний 1-й ступени; 16 — гаситель вертикальных колебаний 2-й ступени;

Если посмотреть на эти чертежи, то видно, что тормозные диски моторной тележки установлены на колесные центры и на каждой колесной паре по два клещевых механизма, прижимающих колодки к дискам. Другую компоновку тормоза предусмотреть не получится — место между колесами плотно занято узлами тягового привода.

На необмоторенной колесной паре прицепного вагона тормозные диски напресованы на ось колесной пары, их по три на каждую колесную пару. Такое размещение дисков обеспечивает большую равномерность распределения тормозного момента вдоль оси, а так же несколько снижает требования к прочности самих дисков. Диски выполнены по вентилируемой схеме, даже на этом чертеже видны вентиляционные каналы в них.

Соответственно, эффективные радиусы трения для колодок на моторной и не моторной тележке находятся в соотношении 3/2, дабы обеспечить одинаковое тормозное усилие на той и другой тележке.

Общий вид тележки прицепного вагона (кликабельно)

1 — рама тележки; 2 — клещевой механизм; 3 — рессорное подвешивание 1-й ступени; 4 — пневморессора 2-й ступени; 5 — гаситель поперечных колебаний; 6 — демпфер виляния; 7 — опора пружины качания; 8 — колесная пара; 9 — букса колесной пары; 10 — гаситель вертикальных колебаний 1-й ступени; 11 — гаситель вертикальных колебаний 2-й ступени.

Чем выше скорость движения экипажа по рельсам, тем более выражена роль динамических нагрузок в общей картине распределения усилий, приложенных к его элементам. Источником возникновения динамических нагрузок является ряд возмущающих факторов, главными из которых являются неровности верхнего строения пути в вертикальном и поперечном направлениях, а так же кинематическая склонность колесных пар к развитию их поперечных колебаний в колее, за счет конической формы поверхности катания.

Если с первым все понятно, то со вторым — что я имел в виду? И зачем вообще железнодорожные колеса имеют коническую форму?

В колесной паре оба колеса жестко связаны между собой через ось, а значит, пренебрегая крутильной упругостью оси, можно считать, что оба колеса имеют одинаковую угловую скорость. Всегда. И при движении в прямом участке пути всё будет отлично. А если мы поедем в кривой? Вот тут, для того чтобы внутреннее колесо (ближнее к центру поворота) не проскальзывало, скорость его центра должна быть меньше скорости центра внешнего колеса. Если бы колеса не были связаны жестко, то так и получилось бы — внутреннее колесо стало бы вращаться медленнее внешнего. Но так как существует жесткая связь, внутреннее колесо начнет проскальзывать, а ось колесной пары испытывать серьезные нагрузки на кручение.

Чтобы избежать этого придумали остроумное решение — раз нельзя уменьшить угловую скорость внутреннего колеса, то тогда можно уменьшить его радиус! Уменьшить радиус внутреннего колеса, а радиус внешнего — увеличить, и тогда произойдет перераспределение скоростей центров колес, обеспечивая лучшие условия прохождения поворота в части проскальзывания и динамических нагрузок на ось. Для этого поверхность катания колес делается конической. При этом, как нетрудно сообразить, при входе в кривую, колесная пара смещается в поперечном направлении в сторону противоположную центру поворота. Выйдя из равновесного состояния, свободная колесная пара продолжит совершать поперечные колебания даже в прямом участке пути, с частотой тем большей, чем больше скорость её вращения.

Конечно, в реальных условиях это перемещение ограничивается буксовыми узлами, но, становится очевидным, что жесткость конструкции поперечных связей в тележке не должна быть чрезмерно высокой, поэтому поводки букс крепятся к раме через сайлентблоки. Кроме того, в буксовых узлах обеспечивается возможность смещения оси колесной пары — так называемый поперечный разбег.

Все эти факторы приводят к тому, что элементы ходовой части совершают сложные пространственные колебания, неизбежные при присутствии в связях между ними упругих элементов, обеспечивающих податливость конструкции в направлении действия динамических нагрузок. Колебания эти необходимо гасить, поэтому тележка «Сапсана» буквально обвешана гидравлическими гасителями. Кроме того, система управления электропоезда оценивает характеристики колебаний в реальном времени, делая вывод об устойчивости движения тележки в колее.

Описанию механики движения высокоскоростного поезда лучше посвятить отдельную статью, в рамках этой сложно будет рассказать обо всех нюансах, которые безусловно интересны. Пока только скажу, что механическая часть поезда, унаследованная от предка — немецкого ICE3, вполне рассчитана на скорости движения до 350 км/ч.

МПСУиД 2. 0 – Распоряжение ЦДМВ от 07. 2021 №198р

Распоряжение центральной дирекции моторвагонного подвижного состава от “07” июня 2021 года №198/р о проведении подконтрольной эксплуатации версии 2.6.0 программного обеспечения МПСУиД электропоездов «Ласточка» производства ООО «Уральские локомотивы».

В кабине машиниста поезда

Жёлтая кнопка наверху — одно из самых древних и важных легаси: это открытие бункера с песком, чтобы просыпать песок перед колёсами локомотива для экстренного торможения. Песочницы ставятся на поезда ещё с первых паровозов. Большая красная кнопка — открытие тормозной магистрали в атмосферу для аварийной остановки поезда и полного обесточивания поезда до аккумуляторной батареи.

Когда мы увидели набор сигнальных петард в кабине поезда, то сразу поняли, что чего-то мы про поезда не знаем до конца. А потом решили вживую посмотреть на запуск поезда и работу машиниста с современными интерфейсами. Современный поезд представляет собой шину данных, куда сведено всё оборудование, бортовые компьютеры и электронные интерфейсы. Всё точно настраивается с тачскринов, и только самое важное, вроде торможения, вынесено на физические рычаги и кнопки.

В общем, добро пожаловать в кабину поезда «Аэроэкспресс» и в рабочий день машиниста. Причём не обычного, а Алексея Александровича Назарова — человека, который испытывал первые швейцарские составы компании Stadler, принимал их для России и учил других машинистов обращаться с ними.

Алексей Александрович сейчас управляет двухэтажным аэроэкспрессом от Киевского вокзала до аэропорта Внуково — на этом маршруте ходят специальные составы, которые представляют собой модифицированный Stadler KISS по специальному проекту для российских железных дорог (база шире европейской) и с учётом требований РЖД и компании «Аэроэкспресс», в частности, по большому количеству интегрированного оборудования. Про их отличия от более старых версий электричек мы уже рассказывали, когда ходили в депо, где обслуживаются электропоезда.

На работе нужно быть в семь утра, поэтому просыпается Алексей Александрович в пять утра ровно, умывается, завтракает и едет в терминал Киевского вокзала. Там проходит контроль безопасности на входе (как и все пассажиры) и заступает на работу.

Первое, что делает машинист утром, это смотрит обновления документации. У «Аэроэкспресса» есть отдельный внутренний портал, куда стягиваются данные из всех источников. Чаще всего это внутренние данные о ремонте подвижного состава, результаты заявок механикам по оборудованию «своего» поезда и телеграммы РЖД, в которых указаны текущие изменения в расписании. В огромной инфраструктуре РЖД очень часто проводятся разные текущие ремонты и регламентные работы, поэтому где-то перекрывают путь, где-то нужно подвинуться на несколько минут в сетке и так далее. Также там имеются указания департамента эксплуатации подвижного состава, где оговариваются особые условия работы и порядок операций: например, недавно были незначительные апдейты процедуры прохождения помощника машиниста по составу при осмотре, мелкие изменения регламента отправления и так далее.

Потом — медосмотр. Машинисты приходят в медпункт, предъявляют документы (что они — это они), а в ответ им выдаются медицинские карты, в которых они расписываются. В них вносятся данные: дата прохождения осмотра, время, межсменный отдых, данные о давлении и пульсе. Обязательно обследование с алкотестером. Следующий этап — оформление маршрутного листа: нужна печать медпункта с подписью фельдшера.

Затем нужно взять допуск на инфраструктуру: Московская железная дорога проверяет документы, заносят в ИТ-систему факт заступления машиниста на работу, его маршрут, поезд и так далее. После внесения данных служба ставит отметку в маршрутном листе, что машинист готов к работе. Если есть срочные вещи в процедурах (предупреждения об изменении скоростей) — они даются под подпись.

Дальше надо проследовать на линейный пункт, где заступают бригады. Там есть несколько минут, чтобы подождать прибытия поезда.

В 7:36 прибывает поезд из Внуково на второй путь. В 8:00 нужно отправиться из Москвы до станции Внуково, потом подождать там и отправиться обратно. Всего за смену будет пять таких пар. Обед — с 12:30 до 13:30, а окончание рабочей смены — в 20:00.

Рабочая смена локомотивной бригады длится от 10 до 12 часов, работа в дневное и ночное время распределена равномерно. Норма работы квартальная — 528 часов. Локомотивные бригады, работающие утром и вечером, подводятся к ночной смене. Ночная может работать по схеме с 18:00 и до 2:30, два часа обеда и затем с 4:30 до 8:00.

Как только поезд пришёл, нужно его принять в начале дня, а бригаде, которая им управляла, — соответственно, сдать. Ещё поезд «разворачивается», то есть нужно «выключить» кабину в конце состава (которая ближе к вокзалу) и пойти активировать уже головную кабину (которая дальше от вокзала). Поезд ездит сразу с двумя кабинами, в которых стоят органы управления, и они равнозначны, но подключиться из любого вагона к сети нельзя. В Московском метрополитене, например, схема ещё интереснее: там можно с помощью переносного пульта врезаться в контур управления в любом вагоне и управлять им, как из кабины. Переносной пульт — это такой инженерный симулятор кабины машиниста, и он очень удобен для маневрирования частями поездов. Аэроэкспрессы же рассматриваются как цельные объекты, не расцепляются иначе как для ТО. Да и на ТО расцепляются всего на две части даже для замены тележек: новое депо позволяет поднимать их сразу блоками по несколько вагонов.

Итак, Алексей со своим помощником приходит в 7:36 в головную кабину, где их встречает бригада, которая будет сдавать поезд. Они сообщают о состоянии состава и режимах работы. Потом Алексей получает генеральный ключ — физический ключ для активации-деактивации кабины. Он — почти как легендарный «ключ-на-старт» для космонавтов и используется так же.

Затем машинист следует в противоположную кабину, которая будет головной на следующем рейсе. По пути выполняется визуальный осмотр поезда по низу, то есть оборудования под вагонами. Потом нужно активировать кабину, включиться в шину (локальную сеть) поезда и просмотреть мониторинги. Поставить кассету фиксации (средство логирования действий):

То есть надо проверить состояние батарей, температурные характеристики тяги в двигателе, отопление-вентиляцию-кондиционирование в целом, освещение, буксы. Потом — проверка данных о пассажирских салонах: надо проверить конфигурацию и задать новые параметры. Температура обычно поддерживается в районе 22 градусов. Уставка — 20 плюс-минус два градуса, то есть 22 или 18. Затем запускается диагностика туалетов (точнее, отображение информации о ней, диагностика узлов работает постоянно). Если один из туалетных комплексов — в отказе, то нужно сообщить в диспетчерский центр, чтобы позвали специалиста.

Вот ещё мониторинги:

Конфигурация поправляется руками ещё по погоде, по условиям напряжения, по состоянию рельсов (тоже зависит от погоды). Делаются уже активные проверки: работа компрессоров, давление в магистралях поезда, попробовать тормоз двух видов — оба на поезде фрикционные, но разного принципа действия. В конце делается настройка системы пассажирского оповещения (ПИС): табло, голосовые оповещения при отправлении, экраны с услугами поезда, и вообще, чтобы робот с пассажирами поговорил.

Дальше подготовка к старту продолжается:

После этого нужно дождаться времени открытия дверей (за 15 минут до отправления аэроэкспресса), забрать пассажиров и отправиться.

Основные органы управления — механические, хотя одна из рукояток — фактически «круиз-контроль» для поезда:

У помощника машиниста кнопка торможения тоже физическая и тоже большая:

Песочницу вы уже знаете:

По дороге машинист контролирует входные, маршрутные, выходные, проходные, повторительные, заградительные, маневровые светофоры. Сигналами светофоров локомотивной бригаде подаётся приказ и требует или снижения скорости, или остановки поезда, или следования с установленной скоростью. Критичные сигналы дублируются, но сигнализация на железной дороге — это тема отдельного поста.

После прибытия во Внуково машинист приводит в действие стояночный тормоз, открывает двери, отключает приборы безопасности.

На фото один из необычных приборов безопасности — ТСКБМ, он сейчас работает, но не включен в управление. Нужен он для управления поездом одним человеком (без помощника), и этот робот контролирует правильность действий человека и вообще его состояние. Это устройство может выступать своего рода автопилотом в экстренных ситуациях. После испытаний с биометрическими браслетами будет решение о том, можно ли использовать эту систему и убирать второго человека из кабины. Сейчас его дублирует прибор безопасности, который периодически проверяет бдительность машиниста зуммером, а тот должен нажатием кнопки подтвердить, что всё в порядке. Если за несколько секунд не подтвердить, то поезд будет остановлен.

Затем отключает электропневматический клапан автостопа. После всех операций кабина деактивируется. Машинист проходит по платформе в обратном направлении ко второй кабине. На этот раз осматривается верхняя часть поезда, ищутся визуальные дефекты на токоприёмниках, повреждения покрытия вагонов (скол без краски может начать ржаветь).

То есть на Киевском вокзале поезд осматривается снизу, а во Внуково — сверху снаружи. Но только с одной стороны. Потом, когда он будет подан на платформу, можно встать как на левый, так и на правый путь и тогда осмотреть состав с другой стороны. Когда нужно специально посмотреть другую сторону, машинист может запросить через диспетчера определённый путь заранее.

Помощник машиниста в это время остаётся в хвостовой кабине на связи. Вообще в поезде всегда кто-то на связи. Среди всего прочего помощник контролирует сообщения от пассажиров, которые нередко забывают телефоны. С этими же сообщениями часто обращается охрана.

Дальше — снова активация кабины, предстартовые процедуры, проверка мониторинга, активная проверка оборудования, конфигурирование, ожидание, открытие дверей, загрузка пассажиров и обратный путь.

В дороге поломки случаются крайне редко. Поезд с закрытыми коммуникациями (большинство трасс скомпоновано между внутренним и наружным тамбурами, что защищает их от попадания всяких предметов снаружи вроде прыгающих покрышек на путях, которые оставляют хулиганы, чтобы посмотреть, что будет). Вот список текущих неисправностей поезда в мониторинге (это баги, это отключённые прямо сейчас на стоянке подсистемы):

То есть большинство проблем закрывается или механиком между рейсами (те же туалеты), или во время ТО в депо. Из того, что может случиться в дороге, возможны повышенный износ токоприёмника или повреждения на нём. Старые токоприёмники сильно повреждались во время ледяного дождя, новые контактные вставки уже гораздо лучше. Контактная сеть должна быть хорошо отрегулирована, если это не так — могут быть подбои. Во время прохода по поезду проверяется состояние тележек и оборудования, кабелей, межвагонных переходов, краски кузова, стеклопакетов, дверей и стёкол в них. Это всё нуждается в визуальном осмотре либо из-за того, что нужно продублировать мониторинг, либо из-за того, что нельзя получить эти данные (о стеклопакете) в мониторинге.

Вот в этой части настроек можно опустить один из токоприёмников: они задублированы, и поезд не потеряет в скорости и мощности:

При ночном отстое электропоезда Внуковского направления стоят на перронных путях Киевского вокзала и терминала Внуково. То есть в депо они не уходят, а ночуют прямо около вокзала. В депо ездят только на техосмотр, и теперь это случается гораздо реже (и сама процедура быстрее), чем на поездах прошлых поколений.

Что ещё есть в кабине?

Вот стоп-краны (один есть в задней части кабины, то есть всегда в радиусе вытянутой руки от машиниста есть средство для остановки поезда):

Такие же установлены в пассажирских салонах. Напомню, поезда снабжены пневматической магистралью, где сжатый воздух нажимает на тормоза. Если в магистрали образуется дыра, то в ней тут же падает давление, и тормоза «отжимаются», поезд начинает останавливаться. Дыра в магистрали может образоваться при повреждении состава, расцепке, штатном торможении (открытие клапана в атмосферу) и экстренном торможении (срыв стоп-крана с последующим открытием клапана в атмосферу). Эти стоп-краны электрические, они соединены с независимой электроцепью экстренного торможения. Если пассажир приводит его в действие, то физически разрывается электроцепь, которая питает электромагниты, удерживающие клапаны в заблокированном состоянии. При потере напряжения клапаны открываются, и из магистрали выходит воздух. При срыве стоп-крана машинист видит это действие, и у него есть выбор: отменить экстренное торможение (нужно в специфических случаях пожара в тоннеле, на мосту или под контактными устройствами до выезда со сложного участка) или же продублировать по второй независимой электроцепи экстренного торможения команду. Это необязательно, но это стандартная процедура на случай повреждения одной из сетей. Длина тормозного пути зависит только от нагрузки — по факту количества пассажиров и багажа, дублирование не меняет её. Торможение не отличается особой резкостью — механизм такой же, как при обычном, но поезд останавливается чуть жёстче.

Экран с данными камер: там можно удобно смотреть, что делают пассажиры на стоянке, а в момент движения — что происходит в вагонах. При вызове машиниста по внутренней связи «пассажир—машинист» один из экранов квадратора сразу автоматически показывает ситуацию в вагоне.

В любой момент можно настроить любое отображение, но есть уже готовые скрипты переключения вроде описанного.

Кресло регулируется очень широко, потому что комфорт посадки важен для точности управления и скорости уставания:

За спиной машиниста — холодильник:

Шкаф с разным снаряжением:

В этом шкафу лежат диэлектрические перчатки и два изолирующих самоспасателя на случай пожара. Ниже — лестница и пепельницы:

Пепельницы машинистам ставятся по немецкому стандарту, который рассказывает, как именно должно быть оборудовано рабочее место. Но в России курить в поезде нельзя, поэтому они чистые. А это — пирометр:

Нужен для контроля температуры букс на колёсных парах при отказе датчиков мониторинга.

В кабине установлены три камеры. Две смотрят на действия машиниста и помощника, ещё одна аналогична дорожному регистратору:

А это очень чувствительный микрофон в потолке, который записывает все разговоры в кабине:

Эта часть кабины (органы управления, машинист и помощник) отделена от второй прочной дверью, которая при закрытии по умолчанию блокируется для защиты. Ещё одна такая же дверь отделяет вторую часть кабины от пассажирского салона. В задней части кабины — два выхода из локомотива и ещё шкафы с оборудованием.

Дверь металлическая, поезд — электропоезд, поэтому вот такие системы снятия потенциала.

Из бытового — микроволновка:

Вот ещё снаряжение:

И, собственно, петарды:

Сигнальные петарды нужны для ограждения электропоезда (укладываются на рельсы) при вынужденной остановке на перегоне. Это для предотвращения столкновения с поездом встречного направления или вслед идущего. Петарды также используются работниками дистанции пути при выявлении неисправности железнодорожного полотна. Взрыв хотя бы одной петарды требует от машиниста экстренной остановки поезда для выяснения причин. Вот пример инструкции.

Собственно, вот так это выглядит изнутри. Вот ещё наши посты про железные дороги, устройство поездов: особенности транспорта Универсиады, в депо Аэроэкспресса, про транссиб, Гранд Экспресс, какие бывают поезда, энергосистемы вагонов, как устроен пассажирский вагон, как собирают вагоны, как они эволюционировали, про Ленинградский вокзал, про паровозы, про старые вагоны. Большой FAQ про поезда дальнего следования и неочевидные правила. И рабочий день водителя автобуса наших коллег из Туту.Автобусов.

Местная инструкция по тормозам (ТЧПриг-6, Крюково, 2021)

Электропоезд переменного тока ЭД9Э

Справочник составлен на основе технической документации завода изготовителя ДМЗ, опыта эксплуатации локомотивными бригадами моторвагонного депо Казань рекомендаций машинистов инструкторов. Справочник составлен с целью обучения и использования локомотивными бригадами для устранения неисправностей при нестандартных ситуациях. Вначале каждой темы идет описание схемы, затем приводится принципиальная электрическая схема и далее виды неисправностей их причины, способы устранения.

Регламент взаимодействия при возникновении аварийных и нестандартных ситуаций

Регламент взаимодействия работников, связанных с движением поездов, с работниками локомотивных бригад при возникновении аварийных и нестандартных ситуаций на путях общего пользования инфраструктуры ОАО «РЖД» в редакции распоряжения ОАО «РЖД» от 3 июля 2018 года №1414р, от 3 февраля 2021 года №201р, от «26» ноября 2021 года №2602.

Приказ от 27 мая 2019 года №ОКТ ДМВ-62 (по БЛОК)

Электропоезд ЭП2Д

Ограниченная ответственность. Материалы, размещенные на этом Интернет-сайте взяты из открытых источников и размещены на безвозмездной основе. Копирование информации из одного открытого источника в другой не является нарушением авторских и смежных прав.

Обратная связь

На закуску — предлагаю вашему вниманию видеоэкскурсию на тренажер «Сапсана», руководителем разработки которого является ваш покорный слуга